Работа транзистора при больших уровнях сигнала

1. Работа транзистора при больших уровнях сигнала

1.1 Построение динамических характеристик

При больших уровнях сигнала рассмотренные выше методы исследо­ вания, относящиеся к линейным системам, оказываются неприемлемыми. Это объясняется нелинейными зависимостями между токами и напряже­ ниями, существующими в цепях усилительного элемента при больших сигналах.

Для расчета и исследования работы каскада при больших уровнях сиг­нала применяются: 1) графический метод и 2) приближенный аналитиче­ский метод.

Графический метод основан на использовании статических характе­ ристик усилительного элемента, представляющих собой эксперименталь­ но определенные нелинейные зависимости между токами и напряжениями в его цепях, относящиеся к режиму короткого замыкания (статический режим) и являющиеся типовыми (усредненными) для усилительного эле­мента данного типа. Построение динамических характеристик позволяет перейти к указанным зависимостям для заданных сопротивлений нагрузки и источников сигнала при определенных питающих напряжениях и спосо­бах их подведения (динамический режим работы). Графический метод по­ зволяет наглядно и наиболее точно: а) выбрать исходный режим работы усилительного элемента (исходную рабочую точку); б) определить вели­ чины, характеризующие режим работы при наличии сигнала (постоянные и переменные напряжения, токи и мощности в выходной и входной цепях каскада); в) определить величину нелинейных искажений.

Недостатками графического метода являются некоторая его громозд­кость и затруднительность использования для выявления зависимостей между различными характеризующими динамический режим величинами. Кроме того, графический метод расчета возможен при наличии достаточ­но полных семейств выходных и входных статических характеристик транзистора.

Приближенный аналитический метод основан на идеализации (ли неаризации) статических характеристик усилительного элемента и нахож­ дении усредненных значений его параметров, которые в пределах исполь­ зуемого поля характеристик считаются постоянными величинами.

Из сказанного следует, что приближенный аналитический метод рас­ чета должен использоваться главным образом для установления общих и принципиальных зависимостей между расчетными величинами, в то вре­мя как для конкретных инженерных расчетов в ряде случаев целесообраз­ но применение графического метода.

Переходя к рассмотрению работы транзистора при больших уровнях сигнала, следует иметь в виду, что существуют три области поля характе­ристик транзистора:

1) активная область, определяемая прямым смещением на эмиттер-
ном р-п - переходе и обратным смещением на коллекторном р-п -
переходе;

2) область отсечки, определяемая обратным смещением на обоих р-п
- переходах;

3) область насыщения, определяемая прямым смещением на обоих р-
п - переходах.

На рис. 1 приведено семейство выходных статических характеристик транзистора для включения ОЭ с указанием перечисленных областей поля характеристик.

Рис. 1. Выходные статические характеристики транзистора при включении ОЭ

Граница области отсечки 2 определяется начальным неуправляемым током I кн и практически соответствует запиранию транзистора. Область насыщения 3 характеризуется резкими искривлениями статических харак­ теристик, получаемыми при переходе к токам в направлении проводимо­ сти коллекторного p - n - перехода.

В режиме усиления может использоваться только активная область 1, в пределах которой транзистор открыт, а между токами коллектора и базы существует зависимость, близкая к линейной.

Рассмотрение работы каскада при больших уровнях сигнала в целях упрощения проводится обычно для установившегося режима и некоторой достаточно низкой частоты, для которой параметры усилительных эле­ ментов можно считать вещественными величинами (например, f = 1 кГц).

Сопротивления нагрузки и источника сигналов предполагаются обыч­но активными, а влиянием реактивных элементов внешних цепей (индук­тивность трансформатора, разделительные и блокировочные емкости) на частоте порядка 1 кГц при правильном выборе этих элементов можно пренебречь.

Для выполнения графического расчета режима необходимо на основе статических характеристик транзистора построить динамические характе­ ристики транзисторного каскада. Удобно начинать с построения выходной динамической характеристики i ₂ = F ( u ₂ ), используя для этой цели семейст­ во выходных статических характеристик транзистора, поскольку, как это будет видно из дальнейшего изложения, при линейном сопротивлении на­ грузки эта динамическая характеристика представляет собой прямую ли­нию. На основании выходной динамической характеристики и семейства входных статических характеристик транзистора строится входная дина­ мическая характеристика i ₁ = F ( u ₁ ). На основании выходной и входной ди­ намических характеристик строится проходная динамическая характери­ стика i ₂ = F ( u ₁ ), и, наконец, на основании этой характеристики в соответ­ ствии с сопротивлением источника сигналов - сквозная динамическая ха­ рактеристика i ₂ = F (е _ист ).

Выходная динамическая характеристика

Построение начнем с исходного режима. В этом случае напряжение сигнала отсутствует, а схема замещени