4.3 Расчет основных параметров усилительного каскада

В рабочем (динамическом) режиме, т.е. когда в выходную цепь транзистора включено сопротивление нагрузки, а на вход подается переменный сигнал, характеристики и параметры транзистора нельзя рассматривать вне связи со схемой.

В общем случае сопротивление нагрузки может быть реактивным, смешанным или чисто активным. Рассмотрим случай чисто активной нагрузки.

Характеристики и параметры транзистора, работающего в рабочем (динамическом), режиме называют рабочими или динамическими.

Рабочие или динамические параметры транзистора связывают малые изменения токов и напряжений транзистора в динамическом режиме. Такими параметрами являются входные и выходные сопротивления, величина которых определяет условия согласования транзистора с источником сигнала и с нагрузкой, и коэффициенты усиления тока, напряжения и мощности. Каждый из этих параметров можно определить следующим образом.

Входное сопротивление - сопротивление входной цепи транзистора для переменного входного тока, при R_н =0

Выходное сопротивление - сопротивление выходной цепи транзистора для переменного выходного тока при R_н = 0

Динамический коэффициент усиления по току .

Динамический коэффициент усиления по напряжению .

Динамический коэффициент усиления по мощности

В случае усиления малых синусоидальных сигналов рабочие параметры можно определить как отношение амплитуд токов и напряжений.

Графическая зависимость между протекающими токами и приложенными напряжениями для транзистора, включенного  в рабочую схему, определяется динамическими характеристиками. Так же, как и в статическом режиме, можно экспериментально снять или построить входные и выходные динамические характеристики.

Практически для того, чтобы произвести полный расчет динамического режима работы и рабочих параметров транзистора, необходимо иметь два семейства статических характеристик: входные и выходные, на которых должны быть построены входная и выходная динамические характеристики, соответственно. Для построения выходной динамической характеристики на семействе статических выходных характеристик , строится нагрузочная прямая. Т.к. по закону Кирхгофа

где E_к - напряжение источника питания в выходной цепи,

 R_н - сопротивление нагрузки, ,

то нагрузочная прямая может быть построена по двум точкам, при условии что известны значения Е_к  и R_н :

1. I_вых=0 при U_к = E_к ,

2. U_к=0, тогда .

Точки пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками и определяют ход выходной динамической характеристики. Построение входной динамической характеристики на семействе входных статических характеристик может быть произведено либо с помощью уравнений (при известных E_к и R_н), либо путем переноса из построенной выходной динамической характеристики. В последнем случае, для точек пересечения динамической выходной характеристики со статическими, определяются значения I_вх  (для которого снята данная выходная статическая характеристика) и U_вых , полученные значения переносятся на семейство статических входных характеристик. Соединяя полученные точки плавной кривой получают входную динамическую характеристику.

Построение выходной и входной динамических характеристик транзистора, включенного с ОБ, показано на рис.4.6.

Для некоторых транзисторов статические входные характеристики располагаются очень близко друг к  другу. В этом случае приближенно считают, что входная динамическая характеристика совпадает со статической снятой при U_к > 0,5 - 5 В.

При выборе динамического режима работы транзистора. работающего в качестве усилителя малых сигналов низкой частоты, следует помнить, что:

1. Изменения переменных токов и напряжений должно происходить только в активной области не заходя в область насыщения и отсечки.

2. Динамический режим работы транзистора ограничен максимально допустимыми значениями:

а)I _{э макс.}-максимально допустимый ток эмиттера, определяемый мощностью эмиттерного перехода,

б)U_{к макс.} - максимально допустимое напряжение коллектора, определяемое напряжением пробоя,

в) P_{к. макс. доп.} - допустимая мощность рассеивания коллекторного перехода.

На рис. 4.7 показана область, за пределы которой не должна выходить рабочая точка при работе транзистора в качестве усилителя.

3. Если ставится условие работы без нелинейных искажений, т.е. условие точного воспроизведения на выходе транзистора формы сигнала, поданного на вход, то изменения переменных токов и напряжений должны происходить на участке выходной динамической характеристики, для которого изменения выходного тока прямо пропорциональны изменениям входного тока. Кроме того, т.к. нелинейные искажения в транзисторах в очень большой степени определяются нелинейностью входной динамической характеристики, необходимо, чтобы изменения переменных токов и напряжений лежали бы на прямолинейном участке входной динамической характеристики. В соответствии с этими условиями определяются значения сопротивления нагрузки R_н и постоянных напряжений, подаваемых на эмиттерный и коллекторный переходы. В качестве примера рассмотрим одиночный каскад усилителя на транзисторе (рис.4.8). В данной схеме используется фиксированное смещение от отдельного источника E_см, с помощью которого задается положение рабочей точки на входной динамической характеристике. Величина R_н составляет, как правило, несколько кОм, что значительно меньше выходного сопротивления, а E_k - порядка 10В.    

Предположим, что статические характеристики транзистора показаны на рис.4.9а,б,  и что заданы R_н и E_к .

Выходную динамическую характеристику можно построить по двум точкам. Считаем , что входная динамическая характеристика совпадает со статической, снятой при U_к=-5В. Если задано условие получения минимальных нелинейных искажений, то изменения переменных токов и напряжений на динамических характеристиках не должны выходить за пределы участка аб рис.4.9.

Участок динамической характеристики, в пределах которого происходят изменения переменных токов и напряжений, называется рабочим участок.

Если на вход транзистора подается синусоидальный сигнал вида :

то для того, чтобы обеспечить работу на выбранном рабочем участке а б , на вход надо подать переменный сигнал с амплитудой

и постоянную составляющую тока

        Точка на динамической характеристике, местоположение которой определяет режим работы по постоянному току, называется рабочей точкой (точка А на графике). Очевидно, что если известны I_э= и I_mэ , то из графика можно определить постоянные составляющие U_э= , I_к=, U_к=  и амплитуды переменных составляющих составляющие U_mэ, I_mk , U_mk .

Тогда легко можно рассчитать:

1. Динамический коэффициент усиления по току

2. Динамический коэффициент усиления по напряжению

3. Динамический коэффициент усиления по напряжению

4. Входное сопротивление переменному току :

5. Выходное сопротивление переменному току .