Вольтамперные характеристики активных элементов, их использование в расчетах каскадов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ

 

 

КАФЕДРА РЭО

 

ЛЕКЦИЯ № 4

по дисциплине

Схемотехника

 

для студентов специальности 160905

 

 

ТЕМА №1 Основные положения теории усилителей

Иркутск, 2012 г.

Иркутский филиал МГТУ ГА

кафедра_ ________________ РЭО _____________________________________

(наименование кафедры)

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

 

____________________________

(уч. степень, уч. звание, подпись, фамилия)

 

Лекция № 4

По дисциплине Схемотехника

Тема лекции Вольтамперные и нагрузочные характеристики активных элементов

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Вольтамперные характеристики активных элементов, их использование в расчетах каскадов. Статический и динамический режим работы активного элемента. Понятие об угле отсечки тока. Классы работы активного элемента, области применения, свойства.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

[2], с.23-44

 

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО

1. ПО PowerPoint, проектор мультимедиа, ПЭВМ

 

Обсуждено на заседании кафедры

«15» мая 2012г., протокол №10

Вольтамперные характеристики активных элементов, их использование в расчетах каскадов

 

Существует два метода расчета рабочего режима биполярного транзистора: аналитический и графоаналитический. Первый метод используется для анализа усилительных свойств транзистора с помощью системы h параметров при малых амплитудах колебаний. Второй метод более точен, так как позволяет сделать более полный расчет: определить величины, связанные не только с переменными, но и постоянными составляющими токов и напряжений.

Наиболее подробно рассмотрим второй метод.

Для графоаналитического расчета пользуются так называемыми рабочими характеристиками. Поскольку транзистор всегда работает с входным током, необходимо пользоваться входными и выходными характеристиками. Рассмотрим в качестве примера схему, изображенную на рисунке 1, имеющую сопротивление нагрузки R_н, одинаковое для постоянного и переменного тока.

В семействе выходных характеристик (рисунок 2) построение рабочей характеристики, иначе называемой линией нагрузки, производится по заданным или выбранным значениям напряжения источника питания Е_п и сопротивления нагрузки R_н.

На основании второго закона Кирхгофа для выходной цепи транзистора (рисунок 1) справедливо уравнение:

.

Построение линии нагрузки производится по точкам ее пересечения с осями координат.

При I_к = 0 получаем E_п = U_кэ = 27 В, то есть откладываем E_п по оси напряжения (точка А). А при U_кэ = 0 получаем

А,

и откладываем I_к по оси ординат (точка B). Соединяя полученные точки прямой, получаем линию нагрузки (рабочую характеристику). Затем на ней выбираем рабочий участок. Например, для получения большой выходной мощности следует взять участок, который не выходит за область действительных значений токов и напряжений (участок CD). По проекции рабочего участка на оси координат определяем двойные амплитуды переменных составляющих выходного тока и выходного напряжения:

.

Используя полученные значения, находим мощность выходного сигнала:

.

На выходной характеристике определим положение рабочей точки Т, которая соответствует геометрическому центру между точками С и D. Рабочая точка Т определяет амплитуду первой гармоники входного тока I_mб = 40 мА, а также ток I_ко и напряжение U_кэо в режиме покоя:

.

По этим значениям можно найти мощность Р_ко, выделяемую в транзисторе в режиме покоя, которая не должна превышать предельной мощности Р_{к макс}, являющейся одним из параметров транзистора:

.

С помощью входной характеристики определим входные параметры транзистора.

Однако в справочниках обычно не приводится семейство входных характеристик, а даются лишь характеристики для U_кэ = 0 и для некоторого U_кэ > 0. Поскольку входные характеристики для различных U_кэ, превышающих 1 В, располагаются очень близко друг к другу, то и рабочая характеристика мало отличается от них. Поэтому расчет входных токов и напряжений можно или приближенно делать по входной характеристике при U_кэ > 0, или достраивать ее для требуемого значения U_кэ.

Перенесем точки C, D и Т на входную характеристику транзистора (рисунок 3). При этом обозначим их как C₁, D₁ и Т₁.

Проекция рабочего участка С₁, D₁ на ось напряжения выражает двойную амплитуду входного напряжения:

.

Зная I_mб и U_{m бэ}, можно рассчитать входное сопротивление R_вх = h₁₁ и входную мощность каскада P_вх по формулам:

Ом.

.

Коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности определяются по:

; ;

К_р = К_I × К_I = 20×24,76 = 495,2.

или

.

Небольшое расхождение есть результат неточности графических расчетов.

Приближенно можно считать, что постоянная составляющая тока коллектора в режиме усиления равна току покоя I_ко. Тогда мощность Р_о, затрачиваемая источником питания Е_п, определяется по формуле:

Р₀ = Е_пI_ко = 27×0,85 = 22,95 Вт,

а коэффициент полезного действия:

.

При рабочей точке Т₁ входное напряжение мало искажено: обе полуволны имеют практически одинаковые амплитуды. А входной ток при этом сильно искажен: его положительная полуволна больше, чем отрицательная. Тем не менее, выходной ток и выходное напряжение искажены мало. Такой результат характерен для режима, когда входное сопротивление транзистора во много раз больше выходного сопротивления источника сигнала. То есть проявляется нелинейность входной характеристики.

При всех расчетах рабочего режима транзисторов следует помнить, что выходная мощность ограничивается предельными значениями тока коллектора, напряжения коллектор-эмиттер, напряжения коллектор-база и мощности, выделяющейся в транзисторе.

 

Лекцию разработал

Доцент кафедры: к.т.н.

 

________________________________

(подпись, фамилия)

 

01.09.2009 г.