IV.2. Динамические характеристики

Из всех существующих видов динамических характеристик для практических расчётов используют только четыре из них, а именно:

1. Выходные динамические характеристики;

2. Входные динамические характеристики;

3. Сквозные динамические характеристики;

4. Проходные динамические характеристики.

Выходные динамические характеристики.

Выходные динамические характеристики представляют собой зависимость выходного тока УЭ от напряжения между его выходными электродами при наличии нагрузки в выходной цепи. Например, для биполярных транзисторов, включённых по схеме с общим эмиттером, выходной динамической характеристикой является зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы, т.е.

I_K = f (U_КЭ) при i_Б = Const.

Выходные динамические характеристики являются наиболее употребительными и применяются при анализе и расчёте каскадов предварительного усиления для определения точки покоя на семействе выходных статических характеристик УЭ по следующим известным данным: напряжению питания выходной цепи Е, сопротивлению нагрузки выходной цепи постоянному току R₌ и напряжению (или току) смещения управляющего электрода. Эта характеристика представляет собой прямую линию. Для её построения используется выражение:

U_ВЫХ. = Е – I_ВЫХ. R ₌ ………………. (4.1)

При U_ВЫХ. = 0 I _ВЫХ. = Е / R ₌.

При I_ВЫХ. = 0 U_ВЫХ. = Е.

Полученные значения U_ВЫХ. и I_ВЫХ. откладываются на осях семейства выходных статических характеристик и соединяются прямой линией. Прямая, проведенная через обе отмеченные точки, и является выходной динамической характеристикой, которую часто называют нагрузочной прямой постоянного тока. Точка пересечения этой прямой со статической выходной характеристикой для применённого в каскаде напряжения (для лампы) или тока (для транзистора) смещения характеризует режим работы УЭ при отсутствии сигнала на входе и называется точкой покоя. Координаты этой точки определяют ток покоя I₀ и напряжения покояU₀ между выходными электродами усилительного элемента, связанные уравнением:

U₀ = E – I₀R ₌ ……………………. (4.2)

При увеличении R ₌ нагрузочная прямая постоянного тока идёт положе, а при уменьшении R ₌  круче. Способ построения нагрузочной прямой постоянного тока поясняется на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Построение нагрузочной прямой постоянного тока и определение

точки покоя на семействе статических выходных характеристик

транзистора.

Выходную динамическую характеристику переменного тока, также представляющую собой прямую линию, используют при расчёте каскадов мощного усиления для графического определения отдаваемых каскадом мощности, тока и напряжения сигнала, потребляемой мощности от источника питания и коэффициента гармоник каскада.

Эту характеристику называют нагрузочной прямой переменного тока. Так как в момент прохождения сигнала через нуль рабочая точка УЭ находится в точке покоя, нагрузочная линия переменного тока пересекается с нагрузочной линией постоянного тока в точке покоя.

Для построения нагрузочной прямой переменного тока отмечают на горизонтальной оси семейства статических выходных характеристик УЭ точку U₀ + I₀·R , где R_~ – сопротивление нагрузки выходной цепи переменному току (току сигнала). Проведенная через эту точку и точку покоя прямая и будет являться нагрузочной прямой переменного тока.

В зависимости от схемы каскада сопротивление выходной цепи УЭ переменному току Z может быть меньше, равно или больше сопротивления этой цепи постоянному току R ₌.

Рис.4.2. Каскад с нагрузкой в выходной цепи с развязывающим фильтром.

В каскаде с включённым непосредственно в выходную цепь резистором R (рис.4.1а) при условии, что внутреннее сопротивление источника питания Е ничтожно по сравнению с сопротивлением этого резистора, сопротивление нагрузки выходной цепи УЭ переменному току активно и равно сопротивлению нагрузки выходной цепи постоянному току, так как оба они равны сопротивлению резистора R:

Z = R_~ = R ₌ = R .

В резисторном каскаде с развязывающим фильтром в выходной цепи (рис.4.2) постоянная составляющая выходного тока проходит последовательно через R_К и R_Ф, и сопротивление выходной цепи постоянному току

R ₌ = R_К + R_Ф …………………………. (4.3)

Рис. 4.3. Построение нагрузочной прямой переменного тока параллельным

переносом в точку покоя.

Переменная составляющая коллекторного тока здесь имеет два параллельных пути: через резистор R_К, транзистор и источник питания и через цепь С, R_ВХ.СЛ., где R_ВХ.СЛ. – входное сопротивление следующего каскада. Разделительный конденсатор С и конденсатор фильтра С_Ф берут настолько больших ёмкостей, что их сопротивлением для рабочих частот сигнала по сравнению с R_ВХ.СЛ. можно пренебречь. Поэтому для резистивного каскада, изображённого на рис. 4.3, нагрузкой коллекторной цепи переменному току окажутся параллельно соединённые сопротивления R_К и R_ВХ.СЛ.:

Z = R_~ = R_К·R_ВХ.СЛ. / (R_К + R_ВХ.СЛ.) …………… (4.4).

Сравнив выражения (4.3) и (4.4), видим, что в резисторном каскаде сопротивление нагрузки выходной цепи переменному току меньше, чем постоянному.

Нагрузочные прямые постоянного и переменного токов всегда пересекаются в точке покоя; это можно использовать для построения нагрузочной прямой переменного тока. Отложив ток I' = Е / R _~ на вертикальной оси семейства выходных статических характеристик, на котором построена нагрузочная прямая постоянного тока и отмеченная точка покоя 0 (рис.4.3), соединяют прямой точку Е на горизонтальной оси с точкой I' на вертикальной оси (рис.4.3, пунктир), что определяет угол наклона нагрузочной прямой переменного тока. Проведя через точку покоя прямую, параллельную пунктирной линии, получают нагрузочную прямую переменного тока.

Нагрузочные прямые переменного тока всегда используют при расчёте усилительных каскадов, работающих при большой амплитуде сигнала. В этих случаях зависимость выходного тока от входного сигнала обладает большой нелинейностью, и аналитические методы расчёта по малосигнальным параметрам УЭ могут дать очень большую ошибку.

Входные динамические характеристики.

Входная динамическая характеристика представляет собой зависимость входного тока УЭ от напряжения между его входными электродами при наличии нагрузки в выходной цепи. Входные характеристики в основном используют при расчёте транзисторных каскадов, где по этим характеристикам определяют все необходимые входные данные – напряжение смещения, входное сопротивление, входное напряжение, ток и мощность входного сигнала. Расчёт усилительных каскадов на электронных лампах по входным характеристикам не производят, так как лампы работают обычно с отрицательным смещением на управляющей сетке, и токи сетки при этом практически отсутствуют.

При изменении сопротивления нагрузки выходной цепи транзистора меняется его входное сопротивление, а следовательно, и угол наклона его входной динамической характеристики, определяемый входным сопротивлением. Однако изменение входного сопротивления значительно лишь при сопротивлении нагрузки, сравнимом с внутренним сопротивлением транзистора. В транзисторных же усилительных каскадах сопротивление нагрузки выходной цепи обычно ничтожно по сравнению с внутренним сопротивлением транзистора. Поэтому транзистор по сути дела работает практически в режиме короткого замыкания выходной цепи.

В этих условиях (при R_~  0) динамическая входная характеристика практически совпадает со статической, а поэтому определение входных данных транзисторного каскада с ОЭ и ОБ производят по статической входной характеристике транзистора для применённого способа включения. При расчёте каскада с ОК пользуются статической входной характеристикой транзистора для включения с ОЭ.

По указанным причинам для расчёта транзисторных каскадов используют приводимые в справочных данных статические входные характеристики для напряжения между выходными электродами от 3 до 10 вольт (обычно 5 вольт), так как эти характеристики практически справедливы для всего рабочего диапазона выходных напряжений транзистора.

На рис.4.4 показаны семейства статических входных характеристик типового маломощного транзистора для включения с ОЭ (рис.4.4а) и с ОБ (рис.4.4б).

Рис. 4.4. Семейство статических входных характеристик транзистора

для включения:

а) с общим эмиттером; б) с общей базой.

Видно, что при включении с ОЭ входная характеристика неизменна при изменении напряжения коллектор – эмиттер в пределах от 0,2 до 10 вольт, т.е. во всём рабочем диапазоне коллекторных напряжений. При включении с ОБ входная характеристика практически неизменна при изменении напряжения коллектор – база от 0 до 10 вольт.

Сквозные динамические характеристики.

Сквозная динамическая характеристика представляет собой зависимость выходного тока УЭ от ЭДС источника сигнала входной цепи при наличии в выходной цепи сопротивления нагрузки.

Сквозную динамическую характеристику используют для расчёта коэффициента гармоник транзисторных каскадов, поскольку в них нелинейные искажения возникают как во входной, так и в выходной цепях.

Построение сквозной динамической характеристики производят с использованием нагрузочной прямой переменного тока и входной характеристики транзистора.

Рис.4.5. Построение динамических характеристик транзисторного каскада:

а) семейство статических выходных характеристик и нагрузочные

прямые постоянного (1) и переменного (2) тока;

б) статическая входная характеристика транзистора;

в) сквозная динамическая характеристика переменного тока.

Для точек пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками отмечают значения выходного тока I_К (рис.4.5а), а для соответствующих им точек статической входной характеристики транзистора – входные напряжения U_ВХ. и входные токи I_Б. (рис.4.5б). ЭДС источника сигнала входной цепи для каждой из точек находят по выражению

Е_ИСТ. = U_ВХ. + I_ВХ.· R_ИСТ. ……………………….. (4.5),

где R_ИСТ. – внутреннее сопротивление источника сигнала переменному току

в случае первого каскада усилителя и выходное сопротивление предыдущего каскада переменному току в случае последующих каскадов.

В обоих случаях R_ИСТ. определяют с учётом цепей смещения и стабилизации каскада, для которого строят сквозную характеристику. Отложив точки с найденными значениями I_ВЫХ. и Е_ИСТ. в координатах (Е_ИСТ., I_ВЫХ) и соединив их плавной линией, получают сквозную динамическую характеристику переменного тока для имеющегося значения R_ИСТ. (рис.4.5в).

Проходные динамические характеристики.

Проходная динамическая характеристика представляет собой зависимость выходного тока от напряжения между входными электродами при наличии нагрузки в выходной цепи.

При расчёте усилительных каскадов используют лишь проходные динамические характеристики переменного тока. Ими удобно пользоваться для построения зависимости выходного тока от времени, т.е. формы кривой выходного тока каскада. Используются проходные характеристики в редких случаях, поэтому способ их построения здесь мы рассматривать не будем.