КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Зависимость тока входного электрода от напряжения на нем при постоянном напряжении выходного электрода называется входной статической характеристикой (рис. 3). Другими словами, для транзистора, включенного по схеме ОЭ, входная статическая характеристика представляет собой зависимость тока базы от напряжения на базе при неизменном напряжении на коллекторе. Если напряжение на коллекторе меняется, то характеристика тоже изменяется. Обычно снимают не одну, а семейство входных характеристик для различных напряжений UK3.
Выходной статической характеристикой (рис. 4) называется зависимость . тока выходного электрода транзистора от напряжения на этом электроде при неизменном токе входного электрода. При включении транзистора по схеме ОЭ — это зависимость тока Iк от напряжения UK3 при неизменном токе базы IБ.
Статические характеристики предполагают, что в коллекторную цепь транзистора не включено сопротивление нагрузки. Если такое сопротивление есть, то изменение тока коллектора происходит не только под действием изменения тока или напряжения на базе, но и под действием изменения напряжения на самом коллекторе. Это последнее изменение происходит потому, что при изменении коллекторного тока, протекающего через резистор нагрузки RK, происходит изменение падения напряжения на этом резисторе. А это значит, что в процессе усиления переменного сигнала на коллекторе транзистора, напряжение изменяется непрерывно и транзистор как бы непрерывно переходит с одной выходной статической характеристики на другую.
Рис. 3. Входная характеристика транзистора
Рис. 4. Выходная характеристика транзистора
Построим на выходной статической характеристике линию, которая будет характеризовать ток коллектора в зависимости от изменяющегося коллекторного напряжения. Такую линию называют нагрузочной (динамической) выходной или рабочей характеристикой транзистора. Для ее построения предположим вначале, что транзистор заперт и ток коллектора равен нулю: Iк= =0.
В этом случае напряжение на коллекторе равно напряжению Ек его источника питания, так как падение напряжения на нагрузке Rк
отсутствует. На оси напряжений UКэ
семейства статических выходных характеристик найдем точку, соответствующую иКэ
— Ек. Эту точку нулевого тока обозначим М. Теперь найдем вторую крайнюю точку динамической характеристики из предположения, что напряжение на коллекторе транзистора иKЭ
= 0, т. е. транзистор замкнут накоротко. В этом случае ток коллектора Ik=Ek/Rk. В действительности коллекторный ток таким быть не может, так как при нулевом коллекторном напряжении транзистор вообще не работает. Отметим, что теоретический максимальный ток на оси токов семейства статических коллекторных характеристик соответствует точке N. Таким образом, получили две крайние точки динамической выходной характеристики. Остальные точки лежат на прямой, соединяющей их. Так как уравнение Uk=Ek — IkRk — уравнение прямой линии, через точки М и N проведем прямую, которая и есть выходная динамическая характеристика. Если изменить сопротивление нагрузки Rк, например увеличить его до R'K, то ток I'k = Ek/R'k станет меньше Ik
= EК/Rk и точка N опустится, а динамическая характеристика наклонится вниз, повернувшись вокруг точки М. При RK — oo коллекторный ток прекратится. Наоборот, если уменьшить Rk, то коллекторный ток увеличится и динамическая характеристика поднимется. Далее находят точки пересечения выходной динамический характеристики со статическими характеристиками при различных токах базы. Затем определяют соответствующие напряжения коллектора UK3
этих точек и строят по характеристике IБ(UКэ) точки динамической входной характеристики (см. рис. 3). Как видно из рис. 3, входная динамическая характеристика нелинейна (хотя и получена с помощью линейной выходной характеристики). Следовательно, во входной цепи усилителя возникают нелинейные искажения, т. е. если синусоидальное напряжение UБЭ входной цепи достаточно велико, то ток IБ будет нелинейным.
Обычно в справочниках не приводят семейства входных статических характеристик для схемы ОЭ и для ОБ. Объясняется это тем, что коллекторное напряжение слабо влияет на входной ток, поэтому обычно ограничиваются двумя входными статическими характеристиками: при UКЭ =0 и 5 В. Если особой точности не требуется, то можно считать, что входная динамическая характеристика совпадает по форме с входной статической характеристикой при UКЭ= =5 В. При этом в действительности искажения в каскаде будут меньше, так как нелинейность входной динамической характеристики меньше нелинейности, входных статических характеристик.
Бели теперь подать на базу транзистора переменное напряжение, то рабочая точка Т будет непрерывно перемещаться по динамической характеристике в соответствии с мгновенными значениями входного напряжения. Если положение рабочей точки, напряжения питания и сам транзистор выбраны неправильно, то могут появиться значительные искажения.
Рис. 5. Схема усилительного транзисторного каскада
На рис. 5 показана принципиальная схема простейшего усилительного каскада при включении транзистора по схеме ОЭ. Каскад содержит два источника питания: Ек — коллекторного напряжения и Еб — напряжения смещения. В реальном усилительном каскаде напряжение смещения получают от источника коллекторного напряжения. Сделаем два опущения. Первое: нагрузка RK каскада одинакова для постоянного и переменного токов. Такое допущение справедливо только в том случае, когда выходное напряжение каскада подается на устройство с очень большим входным сопротивлением. В нашей схеме роль такого сопротивления играет сопротивление резистора Ru переходной цепи, т. е. первое допущение справедливо, если Rn>RK. Однако в реальных условиях роль резистора. Ra играет небольшое входное сопротивление следующего каскада, поэтому нагрузка транзистора для постоянного тока не равна нагрузке для переменного тока. Второе допущение: внутреннее сопротивление источника сигнала будем считать одинаковым для постоянного и переменного токов (хотя в действительности это не так).
Работа усилительного каскада зависит от исходного режима, т.е. от положения рабочей точки Т на характеристиках при отсутствии сигнала (режим по постоянному току) и от амплитуды входного сигнала. Как видно из характеристик на рис. 3 и 4, исходный режим по постоянному току, т. е. исходное положение рабочей точки Т на характеристиках, зависит от напряжения источника смещения Еб, так как именно этим напряжением определяется (при отсутствии входного сигнала) ток базы IБ, а следовательно коллекторный ток Iк и напряжение UКэ. Таким образом, изменяя напряжение смещения на базе Е6, можно установить необходимое исходное положение рабочей точки Т на выходной характеристике транзистора. Каким же должно быть это положение?
Если неправильно выбрать положение рабочей точки Т (рис. 6), то транзистор в процессе усиления будет периодически находиться в режиме насыщения (когда коллекторный ток максимален и не увеличивается, несмотря на продолжающееся увеличение амплитуды входного сигнала), либо в режиме отсечки (когда коллекторный ток минимален из-за запирания транзистора). В обоих случаях усиление сигнала будет происходить со значительными нелинейными искажениями, т. е. форма выходного тока усилительного каскада не будет соответствовать форме входного усиливаемого сигнала. Поэтому положение точки Т на выходной характеристике должно удовлетворять условиям:
|Uкт|> UКэт+UКЭmin; | UКЭT| + UKЭm<UKЭmax
Таким образом, выяснив из приведенных соотношений исходное положение точки Т на выходной динамической характеристике, определяют соответствующей этому положению исходный ток базы IБT (см. рис. 4 — для нашего случая IБт = 0,6 мА). Затем, отыскав на входной динамической характеристике точку, соответствующую IБТ, определяют необходимое для создания этого тока напряжение смещения на базе U БЭ (по рис. 3 току IБГ = 0,6 мА необходимо напряжение смещения на базе UБ=0,37 В). Однако надо учитывать и мощностные возможности транзистора.Ведь, произведение напряжения Uкэ ,,, соответствующее точке Т, на ток коллектора Iк г — это мощность Рк, рассеиваемая на транзисторе в состоянии покоя. Она не должна превышать допустимую для данного транзистора Ркmах, иначе он перегреется и выйдет из строя. Поэтому условие для выбора транзистора по мощности: |UKa т|Iкт<PK max.
Рис. 6. График работы усилительного транзисторного каскада
