Работа транзистора при больших уровнях сигнала

     1. Работа транзистора при больших уровнях сигнала 

     1.1 Построение динамических характеристик 

     При больших уровнях сигнала рассмотренные  выше методы исследования, относящиеся к линейным системам, оказываются неприемлемыми. Это объясняется нелинейными зависимостями между токами и напряжениями, существующими в цепях усилительного элемента при больших сигналах.

     Для расчета и исследования работы каскада  при больших уровнях сигнала применяются: 1) графический метод и 2) приближенный аналитический метод.

     Графический метод основан на использовании  статических характеристик усилительного элемента, представляющих собой экспериментально определенные нелинейные зависимости между токами и напряжениями в его цепях, относящиеся к режиму короткого замыкания (статический режим) и являющиеся типовыми (усредненными) для усилительного элемента данного типа. Построение динамических характеристик позволяет перейти к указанным зависимостям для заданных сопротивлений нагрузки и источников сигнала при определенных питающих напряжениях и способах их подведения (динамический режим работы). Графический метод позволяет наглядно и наиболее точно: а) выбрать исходный режим работы усилительного элемента (исходную рабочую точку); б) определить величины, характеризующие режим работы при наличии сигнала (постоянные и переменные напряжения, токи и мощности в выходной и входной цепях каскада); в) определить величину нелинейных искажений.

     Недостатками  графического метода являются некоторая  его громоздкость и затруднительность использования для выявления зависимостей между различными характеризующими динамический режим величинами. Кроме того, графический метод расчета возможен при наличии достаточно полных семейств выходных и входных статических характеристик транзистора.

     Приближенный  аналитический метод основан на идеализации (линеаризации) статических характеристик усилительного элемента и нахождении усредненных значений его параметров, которые в пределах используемого поля характеристик считаются постоянными величинами.

     Из  сказанного следует, что приближенный аналитический метод расчета должен использоваться главным образом для установления общих и принципиальных зависимостей между расчетными величинами, в то время как для конкретных инженерных расчетов в ряде случаев целесообразно применение графического метода.

     Переходя  к рассмотрению работы транзистора  при больших уровнях сигнала, следует иметь в виду, что существуют три области поля характеристик транзистора:

     1) активная область, определяемая прямым смещением на эмиттер- 
ном р-п - переходе и обратным смещением на коллекторном р-п - 
переходе;

     2) область отсечки, определяемая обратным смещением на обоих р-п 
- переходах;

     3) область насыщения, определяемая прямым смещением на обоих р- 
п - переходах. 

     На  рис. 1 приведено семейство выходных статических характеристик транзистора  для включения ОЭ с указанием  перечисленных областей поля характеристик. 

     Рис. 1. Выходные статические характеристики транзистора при включении ОЭ 

     Граница области отсечки 2 определяется начальным  неуправляемым током Iкн и практически соответствует запиранию транзистора. Область насыщения 3 характеризуется резкими искривлениями статических характеристик, получаемыми при переходе к токам в направлении проводимости коллекторного p-n - перехода.

     В режиме усиления может использоваться только активная область 1, в пределах которой транзистор открыт, а между токами коллектора и базы существует зависимость, близкая к линейной.

     Рассмотрение  работы каскада при больших уровнях  сигнала в целях упрощения проводится обычно для установившегося режима и некоторой достаточно низкой частоты, для которой параметры усилительных элементов можно считать вещественными величинами (например, f= 1 кГц).

     Сопротивления нагрузки и источника сигналов предполагаются обычно активными, а влиянием реактивных элементов внешних цепей (индуктивность трансформатора, разделительные и блокировочные емкости) на частоте порядка 1 кГц при правильном выборе этих элементов можно пренебречь.

     Для выполнения графического расчета режима необходимо на основе статических характеристик транзистора построить динамические характеристики транзисторного каскада. Удобно начинать с построения выходной динамической характеристики i₂ = F(u₂), используя для этой цели семейство выходных статических характеристик транзистора, поскольку, как это будет видно из дальнейшего изложения, при линейном сопротивлении нагрузки эта динамическая характеристика представляет собой прямую линию. На основании выходной динамической характеристики и семейства входных статических характеристик транзистора строится входная динамическая характеристика i₁ = F(u₁). На основании выходной и входной динамических характеристик строится проходная динамическая характеристика i₂ = F(u₁), и, наконец, на основании этой характеристики в соответствии с сопротивлением источника сигналов - сквозная динамическая характеристика i₂ = F(е_ист). 

     Выходная  динамическая характеристика

     Построение  начнем с исходного режима. В этом случае напряжение сигнала отсутствует, а схема замещения выходной цепи соответствует рис. 2. Здесь Е_к - напряжение питания коллекторной цепи; R_к0 - сопротивление нагрузки коллекторной цепи для постоянного тока; R_вых - выходное сопротивление транзистора.

     Очевидно, что

     Е_к = i_кR_к0 + u_кэ     (1)

     В уравнении (1) два неизвестных - i_К и u_кэ. Это объясняется тем, что u_кэ ⁼ iR_вых, в то время как R_вых является нелинейным параметром, зависящим от положения рабочей точки на поле характеристик. Для определения этих неизвестных используем дополнительно графически заданную зависимость i_к = F(u_кэ), представляющую собой статическую характеристику транзистора для выбранного тока смещения базы I_б0 (рис. 3). Уравнение (1) и зависимость i_к = F(и_кэ) будем разрешать совместно графически. Для этой цели представим уравнение (1) в виде

     Рис. 3. Статическая характеристика транзистора для выбранного тока

     смещения базы I_б0 

     i_к= -_кэ+ 

из  которого следует, что при R_к0 = const ( сопротивление нагрузки) оно является уравнением прямой, не проходящей через начало координат.

     Эту прямую удобно построить по двум следующим  точкам:

     а) точка i_к = 0, для которой u_кэ = Е_к;

     б) точка u_кэ = 0, для которой i_к=.

     Построив  по этим точкам рассматриваемую прямую (прямая 1 на рис. 3), получаем искомое решение как точку ее пересечения со статической характеристикой i_к = F(u_кэ), при u = I_б0 (точка А на рис. 3). Эта точка со-этветствует исходному режиму транзистора при напряжении питания Е_к, сопротивлении нагрузки для постоянного тока К_ко, включенном непосредственно в коллекторную цепь, и точку смещения базы I_бо.

     Полученная  прямая представляет собой выходную динамическую характеристику каскада по постоянному току, поскольку она построена, исходя из сопротивления нагрузки коллекторной цепи по постоянному току. Указанная динамическая характеристика позволяет найти падение напряжения U_R0, создаваемое током I_к0 в сопротивлении R_к0.  Действительно, U_Rо ⁼ I_ко сtgφ₀, где φ₀ - угол наклона динамической характеристики по угношению к отрицательному направлению оси абсцисс, который может быть определен как

     φ₀=arcctg(E_к:)= arcctgR_к0.                                                                   (2а)

     Напряжение , приложенное в исходном режиме к выходным электродам транзистора, U_кэ0 = Е_к – U_R0 =Е_К - I_к0R_к0 . При R_к0 = 0 (режим короткого замыкания или статический режим) φ₀ = π/2. При R_к0 =∞ (режим холостого сода) φ₀ = 0, и динамическая характеристика совпадает с отрицательным направлением оси абсцисс.

     При конечных значенияхR_к0 угол наклона динамической характеристики 0< φ₀ < π/2, причем φ₀ тем меньше, чем больше R_к0.

     Построение  выходной динамической характеристики для переменного тока производится, исходя из сопротивления нагрузки коллекторной цепи R_к~ для переменного тока, так что для этой характеристики

     φ~ = агссtgR_к~ .                                                                                          (2б)

     В некоторых случаях R_к~ = R_к0 (точно или приближенно). В других случаях R_к~ < R_к0 (резистивный каскад) или R_к~ > R_к0 (трансформаторный каскад).

     Учитывая  изменения тока базы, вызываемые напряжением  сигнала и находя точки пересечения выходной динамической характеристики каска-та для переменного тока со статическими характеристиками транзистора при различных токах базы, можно получить действительные изменения соллекторного тока, происходящие под действием сигнала при заданных (начениях сопротивления R_к~, питающего напряжения Е_к и изменениях гока базы i_б.

     Очевидно, что изменяясь, коллекторный ток  I_к при i_б =i_б0 должен про-содить через свое исходное значение I_к0. Следовательно, выходные динамические характеристики по переменному и постоянному токам должны пересекаться в исходной рабочей точке А (рис. 3).

     На рис. 3 прямая 2 представляет собой динамическую характеристику для переменного тока, относящуюся к случаю R_к~ < R_к0. Точки ее пересечения со статическими характеристиками транзистора для различных ;значений i_б определяют изменения коллекторного тока в динамическом режиме.

     Следует сказать, что величина углаφ ~, получаемая на диаграмме, за-шсит от масштабов, принятых в ней для тока (m_i; мА/мм) и для напряжения (m_u В/мм), и действительная величина этого угла может быть найдена из выражения

     φ_~=arcctg(_к~),           (2в)

где R_к~ выражено в килоомах.