Входная динамическая характеристика

Входная динамическая характеристика представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения при наличии нагрузки в выходной цепи каскада. Она строится на основе выходных статических характеристик транзис-тора и выходной динамической характеристики каскада. Но так как обычно входные статические характеристики для различных значений u_кэ расположены весьма близко друг к другу, часто за входную динамическую характеристику принимают приближённо статическую характеристику (квазидинамическую) для некоторого значения u_кэ, отличающегося от нуля (например, для u_кэ = 5 В).

Входная характеристика применяется для графического определения по-стоянных и переменных напряжений, токов и мощностей, относящихся к вход-ной цепи каскада, а также для определения его входного сопротивления. На рис. 6.4 показано, как на основе выходной динамической характеристики и входной квазидинамической характеристики (приблизительно соответствую-щей входной динамической) можно получить нужные для дальнейших расчётов параметры входной цепи.

Проходная и сквозная динамические характеристики

Проходная характеристика представляет собой зависимость выходного тока от входного напряжения i_к = F(u_бэ) при наличии нагрузки в выходной цепи и при равенстве нулю внутреннего сопротивления источника сигналов R₁, то есть при возбуждении каскада от идеального генератора ЭДС. Она может быть легко получена из входной динамической (квазидинамической) и выходной ди-намической характеристик (рис. 6.4, а и б).

Сквозная динамическая характеристика i_к = F(e_ист) отличается от проход-ной тем, что изменения выходного тока определяются в ней по отношению к ЭДС источника сигналов, имеющего отличное от нуля внутреннее сопротивле-ние R₁. Вследствие этого учитываются потери и искажения напряжения на вхо-де транзистора, вызываемые конечной величиной и нелинейностью его входно-го сопротивления при данном значении R₁. Для получения сквозной динамичес-кой характеристики необходимо использовать выходную и входную характе-ристики, учитывая, что e_ист = u_бэ + i_бR₁ (см. рис. 6.4).

Сквозная динамическая характеристика применяется для определения вносимых каскадом нелинейных искажений.

2. Режимы работы транзистора

Рассмотрим возможные режимы работы транзистора при усилении сим-метричных сигналов. К симметричным сигналам относят такие, для которых равновероятны одинаковые отклонения напряжения или тока сигнала в обе сто-роны от его исходного значения. К таким сигналам, помимо гармонических ко-лебаний, относятся сигналы звуковых передач, телевизионных изображений и различных импульсных устройств с двухсторонними импульсами.

Наиболее естественным режимом для усиления симметричных сигналов является режим «А», сущность которого состоит в том, что исходная рабочая точка выбирается на середине линейного участка сквозной динамической ха-рактеристики. Целесообразность такого выбора исходной рабочей точки при симметричных сигналах очевидна, т.к. при этом ограничения линейного участ-ка характеристики по максимуму и по минимуму наступают одновременно при наибольшей амплитуде напряжения сигнала.

В транзисторном каскаде ограничением по минимуму является допусти-мое наибольшее значение выходного тока при максимальной температуре или наименьшее значение напряжения, соответствующее переходу к области насы-щения. Ограничением по минимуму является начало искривления (загиба) сквозной динамической характеристики в области малых токов.

Работа транзистора в режиме «А» для схемы ОЭ поясняется рис. 6.5.

e_бэ

Здесь исходная смещающая ЭДС между базой и эмиттером Е_бэ0 выбрана таким образом, что исходный коллекторный ток I_к0 находится на середине ис-пользуемого линейного участка характеристики . При си-нусоидальном изменении ЭДС источника сигналов с амплитудойЕ_бэm кол-лекторный ток изменяется также синусоидально с амплитудой I_кm.

Режим «А» является наиболее универсальным режимом работы. Он при-меняется при симметричных сигналах в каскадах предварительного усиления, а также в предоконечных и оконечных каскадах при небольших мощностях уси-лителя (обычно до 0,5…1 Вт). Основным преимуществом режима «А» является малая величина нелинейных искажений, обеспечиваемая наиболее простым способом, а именно использованием только линейного участка характеристики. Недостатком режима «А» является малая величина КПД каскада, объясняемая большой постоянной составляющей выходного тока, которая даже при отсутст-вии сигнала на входе (в паузе) равна I_к0, что обуславливает значительную вели-чину мощности, рассеиваемой в транзисторе (P_к). КПД каскада в общем виде (для любого режима работы) определяется как

, (6.3)

где P_~ = P₂ – полезная мощность, выделяемая в нагрузке; P₀ – мощность, по-требляемая от источника питания. Мощность, рассеиваемая в транзисторе

P_к = P₀ – P_~. (6.4)

Из выражения (4.4) ясно, что наибольшая мощность выделяется на тран-зисторе, когда P_~ = 0, то есть при отсутствии сигнала на входе, т.к.

P₀ = E_кI_{к ср}, (6.5)

но в режиме «А», как это видно из рис. 4.5, I_{к ср} = I_к0, а I_к0 в режиме «А», как указывалось ранее, имеет значительную величину.

Для повышения КПД каскада применяется режим «В», при котором ис-ходная рабочая точка выбирается в начале сквозной динамической харак-теристики, то есть в точке i_к = I_кн, а смещающая ЭДС между базой и эмиттером Е_бэ0  0 (рис. 6.6). При этом, если пренебречь ничтожно малым током I_кн, можно считать, что коллекторный ток проходит через транзистор только в течение од-ного полупериода, и поэтому в режиме «В» угол отсечки _В = /2 (рис. 6.6).

e_бэ

Поэтому неискажённое воспроизведение симметричного сигнала при апе-риодическом характере нагрузки возможно только при использовании двух-тактной схемы оконечного каскада.

В режиме «В» коэффициент полезного действия () увеличивается, во-первых, за счёт лучшего, по сравнению с режимом «А», использования тран-зистора по току (I_{к maxВ} > I_кmA), благодаря чему полезная мощность

(6.6)

оказывается больше, чем P_~ в режиме «А», а, во-вторых, в паузе, то есть при от-сутствии сигнала на входе, от источника питания мощность не потребляется практически вообще в соответствии с (6.5), т.к. I_к0 = 0, а средний ток в режиме «В» можно считать приблизительно равным I_{к max}/. Мощность, потребляемая от источника питания P₀ при наличии сигнала на входе, определяется средним током и оказывается примерно равной E_кI_{к ср}.

Таким образом, в отношении энергетических показателей режим «В» имеет несомненные преимущества по сравнению с режимом «А». Недостатком режима «В» является большее искажение сигнала. Кроме того, режиму «В» присущи специфические искажения типа «центральной отсечки», обу-словленные тем, что транзисторы в плечах двухтактного оконечного каскада могут иметь не идентичные параметры (например, коэффициент усиления по току  или начальный коллекторный ток), что нарушает строгую очерёдность работы транзисторов и приводит к некоторому запаздыванию коллекторного тока в плечах двух-тактной схемы. Сказанное поясняется графиком на рис. 6.7.

Для того, чтобы сохранить энергетические преимущества режима «В» и избежать искажений типа «центральной отсечки», используют режим «АВ», при котором увеличивают ЭДС смещения E_бэ0 и рабочую точку (р.т.) выводят на некий начальный участок сквозной характеристики, пропустив через тран-зистор в исходном режиме небольшой ток покоя I_к0. В этом случае выходной ток проходит через транзистор более чем в течение половины периода, то есть угол отсечки _АВ > /2 (рис. 6.8).

КПД в режиме «АВ» несколько меньше, чем в режиме «В» в силу того, что при отсутствии сигнала на входе (в паузе) от источника питания потребляется мощность P₀ = I_к0 Е_к. Мощность, потребляемая от источника пи-тания при наличии сигнала на входе так же, как и в режиме «В», определяется средним током, выражение (6.5).

e_бэ

Рассмотренные режимы работы транзистора используются при непосред-ственном (прямом) усилении, то есть при усилении сигналов без их преобразо-вания.