Определение НЧ y-параметров по статическим характеристикам

 

Низкочастотные Y-параметры могут быть определены по входным и выходным характеристикам транзистора. Y-параметры определяют в рабочей точке транзистора при отсутствии сигнального воздействия на входе, т.е. в

 

режиме покоя (токи и напряжения в рабочей точке отмечают дополнительным индексом «0»).

 

 

Рис.3.6. Использование статических характеристик биполярного транзистора для

 

определения Y -параметров: Y ₁₁ и Y ₂₂

 

Входная проводимость Y ₁₁ определяется по входной характеристике (рис.

 

3.6).

^Y 11

^I Вх

dI Б

.

(3.9)

U

Вх

U

Вых

dU

БЭ

U

const U

КЭ

КЭ0

 

Чем меньше берется приращение при построении и расчете, тем точнее получается значение Y ₁₁. Для повышения точности расчета берут среднеарифметическое приращение вверх и вниз.

 

Выходная проводимость Y ₂₂ определяется по выходной характеристике

 

(рис. 3.6).

^Y 22

^I Вых

dI К

,

(3.10)

U

Вых

^U Вх

dU

КЭ

I Б

const I Б0

 

 

где изменение d U _КЭ dE _К берут в пределах всего линейного участка.

 

Рис.3.7. Использование статических характеристик биполярного транзистора для

 

определения Y -параметров: Y ₁₂ и Y ₂₁

 

Проводимость обратной связи Y ₁₂ определяется по входной характеристике при изменении параметра Е _К (рис.3.7).

^Y 12		^dI БОС						.	(3.11)
^Е К 1	Е К2		U		const U
			БЭ	БЭ0

 

Крутизна Y ₂₁ определяется по входной и выходной характеристикам (рис.

 

3.7).

 

	Y 21 S			dI К s				,	(3.12)
		dU БЭ
					E const E
							К
где dI К s –	определяется по выходной характеристике при	E К const E 0.
Изменению	параметра		I Бот значения	^I Б2 ^I Б0 ^до ^I Б3	соответствует

изменение напряжения база-эмиттер dU _БЭ при E _К const E ₀.

 

Нагрузочные характеристики и оптимизация выбора рабочей точки по

 

Постоянному току

 

При работе активного элемента токи и напряжения на его зажимах

 

изменяются, и рабочая точка перемещается по статическим характеристикам.

 

^R К ^R Н=

Линия, по которой движется рабочая точка на выходной характеристике,

 

называется нагрузочной характеристикой.

 

Нагрузочные характеристики позволяют графически проиллюстрировать работу усилительного каскада. Нагрузочные характеристики или выходные динамические характеристики (ДХ) – это прямые линии, которые в координатах выходной ток и выходное напряжение соответствуют уравнениям,

 

выражающим зависимость между значениями токов и напряжений на нагрузке каскада по постоянному и переменному току.

 

Проиллюстрируем работу транзистора с помощью упрощенной схемы каскада по схеме ОЭ (рис. 3.8).

 

Рис.3.8. Схема включения биполярного транзистора с ОЭ

 

Для схемы на рис. 3.8 справедливы следующие соотношения между токами и напряжениями:

E Б	U БЭ	I Б R Г,	(3.13)
Е К U КЭ	^U R К	U КЭ I K R К,	(3.14)

здесь Е _К Е _П – напряжение источника питания, E _Б Е _см – напряжение

 

смещения, – сопротивление коллектора является нагрузкой

 

транзистора.

 

При увеличении напряжения на базе E _Б происходит увеличение тока базы

 

I _Би транзистор дополнительно открывается.Это приводит к увеличению токаколлектора I _К и падению большего напряжения на сопротивлении R _К. Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер U _КЭ снижается. Увеличение I _К и

 

снижение U _КЭ соответствует движению рабочей точки влево вверх на

 

выходных характеристиках (рис. 4.5): E _Б I _Б I _К I _К R _К U _КЭ.

 

При уменьшении напряжения на базе E _Б происходит уменьшение тока базы I _Б и транзистор частично закрывается. Это приводит к уменьшению тока коллектора I _К и уменьшению напряжения на сопротивлении R _К. Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер U _КЭ увеличивается. Уменьшение I _К

 

и увеличение U _КЭ соответствует движению рабочей точки вправо вниз на выходных характеристиках (рис. 3.5): E _Б I _Б I _К I _К R _К U _КЭ.

 

Нагрузочная прямая по постоянному току характеризует работу усилителя на постоянном токе (рис. 3.9).

 

Построение нагрузочной прямой по постоянному току:

 

ü на оси абсцисс откладываем напряжение питания – U _КЭ E _К,

 

ü проводим прямую через рабочую точку и точку на оси абсцисс с координатой U _КЭ E _К,

 

ü на оси ординат координата пересечения с нагрузочной прямой по

 

постоянному току будет I _К ^{E К}.

^R К

 

 

Рис.3.9. Нагрузочные прямые по постоянному (R _Н=) и переменному (R _Н~) токам

 

В режиме покоя напряжение U _БЭ0 составляет сотни мВ (обычно 0,5…0,8

 

В для кремниевых транзисторов). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы I _Б и

 

транзистор будет дополнительно открываться. Это приведет к увеличению тока коллектора I _К. В результате напряжение на сопротивлении нагрузки R _К

 

возрастет, а напряжение коллектор-эмиттер U _КЭ уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения.

 

При подаче на вход отрицательной полуволны синусоидального сигнала будет уменьшаться ток базы I _Б и транзистор будет частично закрывается. Это приведет к уменьшению тока коллектора I _К. В результате падение напряжения на сопротивлении нагрузки R _К уменьшится, а напряжение коллектор-эмиттер

 

U _КЭувеличится,т.е.произойдет формирование положительной полуволнывыходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180^о.

 

При подаче на вход переменного сигнала ток коллектора будет колебаться около исходной рабочей точки.

 

Нагрузочная прямая по переменному току характеризует работу усилительного каскада в режиме усиления сигнала переменного тока и проводится следующим образом:

 

ü откладывается точка, соответствующая пересечению максимума амплитуды выходного сигнала, отложенной от нормали к рабочей точке –

 

U _КЭ0 U _Вых,и статической характеристики,соответствующейминимальному току базы;

 

ü эта точка соединяется с рабочей точкой транзистора,

 

ü полученная прямая пересечёт ось абсцисс в точке – U _КЭ0 I _К0 R _Н~.

 

Рис.3.10. Усилительный каскад по схеме с ОЭ

 

Нагрузка рассматриваемого каскада (рис.3.10) по постоянному и переменному току различны, поскольку по переменному току шину земли и шину питания можно считать короткозамкнутыми. Соответственно сопротивление коллекторной нагрузки по переменному току будет определяться следующим образом: R _Н~ R _к || R _н.

 

Из схемы усилительного каскада по схеме с ОЭ (рис.3.10) видно, что дополнительный запас по усилению обеспечивается выбором сопротивления эмиттера R _Э, которое по постоянному току будет увеличивать общее сопротивление в цепи коллектор-эмиттер – R _Н= R _К R _Э, и тем самым увеличит разницу между нагрузочными прямыми. По переменному току ёмкость эмиттера C _Э будет шунтировать сопротивление эмиттера R _Э.

 

Разница между точками пересечения оси абсцисс нагрузочными прямыми по переменному и постоянному токам называется запас усилителя по усилению

 

– U U _П U _Вых (U U _П 2 U _Вых если гармонический сигнал). При правильном проектировании усилителя запас по усилению необходимо ограничивать величиной не более 4-5 В.

 

При усилении гармонического сигнала следует выбирать рабочую точку в середине линейной части статических характеристик (р.т.1 на рис.3.11). Для усиления импульсных сигналов можно выбирать рабочую точку на границе линейной области или даже в нелинейной области (р.т.2 и р.т.3 на рис.3.11),

 

поскольку в этом случае можно получить наибольший размах выходного напряжения и, следовательно, наибольшее значение КПД. Однако усилитель становиться узкоспециализированным – усилитель однополярных импульсных сигналов и при этом требуется обеспечение высокой стабильности рабочей точки.

 

I К

 

I Б3

 

р.т.2

I Б2

 

I Б1

р.т.1

 

р.т.3

 

 

U КЭ max U КЭ

 

Рис.3.11. Выбор рабочей точки при различных видах сигнала

 

При уменьшении амплитуды входного сигнала, что имеет место в каскадах предварительного усиления, нагрузочная прямая по переменному току будет более вертикальной. Следовательно, использование мощного транзистора для усиления слабого сигнала приведет к уменьшению эффективности его работы,

 

т.е. снижению КПД.

 

При анализе усилительных каскадов часто используют сквозную

 

(проходную) динамическую характеристику (рис.3.12), которая представляет

 

собой зависимость выходного эффекта I _К от входного воздействия

 

U _Вх U _БЭ I _Б R _Г.

 

Рис.3.12. Сквозная (проходная) характеристика

 

Сквозная характеристика показывает, как изменение входного воздействия

 

сказывается на выходном токе каскада.

 

Контрольные вопросы

 

15)Какая схема включения транзистора обеспечивает усиление по току? а) Общий эмиттер.

 

б) Общий коллектор. в) Общая база.

 

г) Общий эмиттер и общая база.

 

д) Общий коллектор и общий эмиттер. е) Общая база и общий коллектор.

 

16) Какие из указанных зависимостей являются статическими характеристиками? а) I _Вых U _Вх при изменении в качестве параметра I _Вх.

 

б) I _Вых U _Вх при изменении в качестве параметра U _Вх. в) I _Вх U _Вых при изменении в качестве параметра U _Вых. г) I _Вх U _Вх при изменении в качестве параметра U _Вых. д) I _Вх U _Вх при изменении в качестве параметра I _Вых. е) U _Вых U _Вх при изменении в качестве параметра I _Вх.

 

17) Что называется нагрузочной характеристикой?

 

а) Это прямая линия, которая в координатах входной ток – входное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями токов и напряжений на нагрузке каскада.

 

 

б) Это линия, которая в координатах выходной ток – выходное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями токов и напряжений на нагрузке каскада.

 

в) Это линия, которая в координатах выходной ток – выходное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями токов и напряжений в цепи обратной связи.

 

г) Это линия, которая в координатах входное напряжение – выходное напряжение соответствуют уравнениям, выражающим зависимость между значениями напряжений на входе и выходе каскада.

 

д) Это линия, которая в координатах выходной ток – выходное напряжение ограничивает область в которой транзистор сохраняет способность к усилению входного сигнала.

 

18)Какое сопротивление обеспечивает дополнительный запас по усилению? а) Сопротивление в цепи базы.

 

б) Сопротивление в цепи коллектора. в) Сопротивление в цепи эмиттера. г) Сопротивление нагрузки.

д) Сопротивление базового делителя.

 

19)В какой точке пересекает ось абсцисс нагрузочная прямая по постоянному току? а) Напряжение смещения.

 

б) Напряжение питания.

 

в) Напряжение питания плюс напряжение смещения. г) Выходное напряжение.

д) Выходное напряжение плюс напряжение питания.