10.8. Работа активных элементов с нагрузкой

При работе активного элемента в аппаратуре связи или радиотехнических устройствах на управляющий электрод подается входной сигнал. Изменение входного сигнала приводит к изменению тока в выходной цепи активного элемента. Чтобы использовать изменение выходного тока в выходную цепь активного элемента всегда включается нагрузка. В качестве нагрузки может быть или активное сопротивление (резистор), или колебательный контур, или трансформатор. Выходной ток, протекая по нагрузке, создает на ней падение напряжения, которое вычитается из напряжения источника питания. В связи с этим величина выходного тока зависит от одновременного изменения напряжения на управляющем и выходном электродах активного элемента.

Для анализа работы активного элемента с нагрузкой кроме статических характеристик используется нагрузочная характеристика. Нагрузочная характеристика представляет собой геометрическое место точек составляющих токов и напряжений входной или выходной цепей соответственно, которым соответствуют возможные значения режима работы усилительного каскада.

Методика построения нагрузочной характеристики не зависит от типа активного элемента. Рассмотрим построение нагрузочной характеристики на примере усилительного каскада с общим эмиттером. При включении нагрузки в коллекторную цепь транзистора изменение тока коллектора определяется совместным воздействием изменений входного тока базы и напряжения в выходной коллекторной цепи.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния

, (10.36)

т.е. сумма падения напряжения на нагрузке и напряжения коллектор–эмиттер U_кэо транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания. Напряжение в коллекторной цепи определяется как .

Выражение (10.36) является математическим описанием прямой линии, его называют уравнением нагрузочной прямой, которая строится на семействе статических выходных характеристик (рис. 10.21,б).

Построение линии нагрузки по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка А: I_ко = 0, U_кэо = U_ип) и короткого замыкания (точка В: , ). Наклон линии нагрузки определяется величиной сопротивления резистора R_к, поэтому характеристику можно провести под углом .

Точки пересечения нагрузочной прямой с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (10.36) для данных сопротивления нагрузки R_к, напряжения питания U_ип и различных значений входного тока. Выбрав на входной характеристике значение тока покоя базы I_бо и определив точку пересечения соответствующей выходной характеристики, снятой при , с нагрузочной прямой, определяем режим по постоянному току выходной цепи – точка О (I_ко, U_кэо). Для получения наибольшей амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя размещалась посередине его линии нагрузки. При этом режим ограничения будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения, каскад будет работать с минимальными нелинейными искажениями (режим класса А).

У биполярных транзисторов кроме нагрузочной характеристики используется входная характеристика, получаемая методом перенесения точек пересечения выходной нагрузочной характеристики на семейство входных характеристик.

Однако для многих транзисторов характерно слабое влияние коллекторного напряжения на входной ток. Это проявляется в очень незначительных смещениях входных статических характеристик при изменениях коллекторного напряжения, в связи с чем семейство входных статических характеристик представлено лишь двумя характеристиками: характеристикой, снятой при напряжении ( ), и характеристикой, снятой при номинальном напряжении на коллекторе. Поэтому нагрузочная входная характеристика в этом случае сливается со статической, снятой при ( ) (рис. 10.21,а).

Для определения переменных составляющих тока и напряжения в коллекторной цепи используют нагрузочную характеристику каскада по переменному току. Для переменного тока I_кm источник питания, сопротивление разделительного конденсатора практически не представляют никакого сопротивления. Поэтому для I_кm сопротивления резисторов R_к и R_н соединены параллельно и образуют сопротивление нагрузки транзистора по переменному току

. (10.37)

Анализ выражения (10.37) показывает, что сопротивление нагрузки усилительного каскада по постоянному току R_н– больше, чем по переменному току R_н~.

При наличии входного сигнала напряжение и ток во входной и выходной цепях представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих. При увеличении I_кm мгновенное напряжение на коллекторе уменьшится и его приращение будет равно

. (10.38)

Линия нагрузки по переменному току, угол наклона которой равен , проходит через точку покоя (точка Р). Если во входную (базовую) цепь каскада подается входное напряжение амплитудой U_вх, то рабочая точка на входной нагрузочной характеристике будет перемещаться вверх в точку 1 при положительной полуволне входного сигнала и вниз в точку 2 при отрицательной полуволне входного сигнала. В базовой цепи транзистора создается переменная составляющая точка базы I_бm, которая вызывает появление переменной составляющей тока коллектора I_кm. Это вызывает перемещение рабочей точки по выходной нагрузочной характеристике вверх при положительной полуволне входного сигнала (U_вых уменьшается) и вниз при отрицательной полуволне (U_вых возрастает). Таким образом схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180° (схема инвертирует входной сигнал).

Для получения минимальных искажений необходимо, чтобы рабочая точка не заходила при перемещении вверх в область нелинейных участков ВАХ (транзистор из активного режима может переходить в режим насыщения), а при перемещении вниз – в область начальных токов (область отсечки) I_кэо.

Графический расчет кроме того позволяет определить следующие параметры:

входное сопротивление

;

коэффициент усиления по напряжению

;

коэффициент усиления по току

;

коэффициент усиления по мощности

.