Как найти рабочую точку по вах

Наибольшее
представление о протекающих в усилительном
каскаде процессах дает анализ его
работы, проведенный с помо­щью
вольт-амперных
характеристик
усилительного
прибора. Ос­новной характеристикой,
используемой при этом анализе, явля­ется
его
выходная ВАХ, представляющая собой
зависимость вы­ходного тока I_вых
от выходного напряжения u_вых.
При построении графиков этих характеристик
входное воздействие, представлен­ное
в виде входного тока I_вх
тока или напряжения u_вх,
выступает в качестве параметра, а сам
транзистор рассматривается в широ­ком
диапазоне изменений токов и напряжений
как безынерцион­ная нелинейная цепь.

На рис.
приведена выходная характеристика
биполяр­ного транзистора, соответствующая
наиболее частому его использованию в
усилительных каскадах, когда в качестве
выход­ного тока используется ток
коллектора I_к,
а в качестве выходного напряжения —
разность потенциалов u_к__э
между коллектором и эмиттером. Ток базы
I_б
при построении этих характеристик
высту­пает в роли параметра. Линиями
1 и 2 отмечены границы актив­ной
(управляемой) области характеристик.

Работу
УП в составе АЭЗ можно интерпретировать
как процес управления протеканием тока
I_ВЬ|Х
в выходной цепи с помощь изменений
входного тока I_вх
или входного напряжения U_BX
.
В процессе указанного управления
значения токов напряжений в АЭЗ непрерывно
изменяются. Точка плоскости выходных
или других ВАХ усилительного прибора,
связывающая текущие значения токов и
напряжений в АЭЗ, называется рабоче
точкой (РТ).
Рабочая точка, соответствующая отсутствию
сигналь ных воздействий, называется
исходной
рабочей точкой (ИРТ).
В дальнейшем значения токов и напряжений,
отвечающих ИРТ, буде отмечать дополнительным
индексом «О». Так, значение коллекторного
тока, соответствующее ИРТ, будем
обозначать как I_к0,
значение разности потенциалов между
коллектором и эмиттером в этой точке —
u_к__э0.

Только
при линейной (пропорциональной)
зависимости значений ΔI_ВЬ|Х
от ΔI_ВХ
или ΔU_ВХ
возможно неискаженное воспроизведение
усиливаемо сигнала на выходе АЭЗ при
его работе на линейную резистивную
нагрузку. Косвенным признаком условий
неискажающей работ УП в составе
усилительного каскада является
равномерное распределение графиков на
координатной плоскости выходных ВАХ
представленных
на рис.Указанное услови выполняется
лишь в ограниченной области значений
токов и на пряжений. Область выходных
ВАХ УП, где это условие выполняется с
приемлемой для практики точностью,
называется областью
усиления. Протяженность
этой области ограничена с одно стороны
так называемой линией насыщения (линией
1),
а с другой — линией отсечки (линией 2).
При значениях тока коллектора,
соответствующих областям ВАХ, лежащим
левее линии / и ниже линии 2, не только
нарушается пропорциональная (линейная)
зависимость выходных сигнальных
приращений от входных, но вообще
прекращется управляющее воздействие
входного сигнала на выходной ток.

Считается,
что УП работает в режиме усиления, если
в процессе усиления РТ не соприкасается
с линиями насыщения и сечки. Первое из
этих условий выполняется, если в процессе
усилсния выходное напряжение на УП не
опускается ниже, чем не­которое
начальное значение U_нач.

Область
возможных предельных значений выходного
тока и напряжения ограничена необходимостью
выполнения ряда усло­вий, вытекающих
из требования обеспечения надежной и
безо­пасной работы усилительного
прибора в схеме. В качестве пара­метров,
определяющих эти ограничения, выступают
паспортные данные на транзистор о
предельно допустимых значениях выход­ного
тока I_выхmах
и выходного напряжения U_выхmах,
а также макси­мальной тепловой мощности
p_tmax,
которую
способен выделить (рассеять) транзистор.

При
отсутствии сигнала (или малой его
интенсивности, когда ΔI_ВЬ1Х
«I_ВЬ1Х0)
в коллекторно-эмиттерной структуре
транзистора выделяется тепловая мощность
Р_t
значение
которой определяет­ся исходными
значениями выходного тока I_ВЬ|х0
и выходной раз­ности потенциалов
U_вых0:

Можно
выделить область выходных ВАХ, в пределах
которой значения выходного тока I_вых,
выходного напряжения U_ВыХ
на транзисторе и Р_t
тепловой мощности
не
выходят из допустимых пределов, т.е.
выполняются условия I_вых
< I_выхmах,
и_вых
< U_выхmах
и
Р_t
<Р_tmax

На
рис.границы этой области выделены
штри­ховкой. В пределах области,
границы которой выделены штрихов­кой,
ни один из предельно допустимых значений
параметров не превышается, поэтому эту
область называют областью
безопасной работы (ОБР).
Следует отметить, что кратковременно
превыше­ние мощности Р_t

допустимо,
если время этого превышения суще­ственно
меньше тепловой постоянной времени
транзистора.

Значе­ние
тока в этой цепи и распределение
напряжения источника питания между
нагрузкой и транзистором при данном
значении входного тока /_б0
или входного напряжения U_к__эо
удобно опреде­лить по методу пересечения
ВАХ элементов, входящих в указан­ную
последовательную цепь. Построение
графиков осуществляет­ся на плоскости
выходных характеристик транзистора в
соответ­ствии с соотношением

U_к__эо
= Е_п
— U_н,
где
U_H
—
падение напряжения на сопротивлении
нагрузки.

При
этом в качестве ВАХ транзистора
используется характери­стика,
соответствующая данному входному току
I_б0.Это
Соотношение указывает, что для определения
местоположения ИРТ на плоскости выходной
ВАХ транзистора по координате U_k0
необхо­димо
выполнить следующие построения:

• на
плоскости выходных ВАХ транзистора из
точки с коорди­натой Е_п
построить
ВАХ нагрузки с зеркальным ее отображением
относительно оси токов (отсюда и второе
название метода — ме­тод
опрокинутой вольт-амперной характеристики);

• из
семейства ВАХ транзистора выделить
характеристику, со­ответствующую
данному входному току I_б0;

• точка
пересечения рассматриваемых ВАХ и
«опрокинутой» ВАХ нагрузки определит
как значение тока I_к0,
так и распределе­ние разности
потенциалов Е_п
между
транзистором и нагрузкой.

Значе­ние
тока в этой цепи и распределение
напряжения источника питания между
нагрузкой и транзистором при данном
значении входного тока /_б0
или входного напряжения U_к__эо
удобно опреде­лить по методу пересечения
ВАХ элементов, входящих в указан­ную
последовательную цепь. Построение
графиков осуществляет­ся на плоскости
выходных характеристик транзистора в
соответ­ствии с соотношением

U_к__эо
= Е_п
— U_н,
где
U_H
—
падение напряжения на сопротивлении
нагрузки.При этом в качестве ВАХ
транзистора используется характери­стика,
соответствующая данному входному току
I_б0.Это
Соотношение указывает, что для определения
местоположения ИРТ на плоскости выходной
ВАХ транзистора по координате U_k0
необхо­димо
выполнить следующие построения:

• на
плоскости выходных ВАХ транзистора из
точки с коорди­натой Е_п
построить
ВАХ нагрузки с зеркальным ее отображением
относительно оси токов (отсюда и второе
название метода — ме­тод
опрокинутой вольт-амперной характеристики);

• из
семейства ВАХ транзистора выделить
характеристику, со­ответствующую
данному входному току I_б0;

• точка
пересечения рассматриваемых ВАХ и
«опрокинутой» ВАХ нагрузки определит
как значение тока I_к0,
так и распределе­ние разности
потенциалов Е_п
между
транзистором и нагрузкой.

Пример рассмотренных
построений для схемы рис.

приве­ден на рис.
2

.

Построения
соответствуют начальному базовому току
I_б0
= 50 мкА. Они выполнены для случая, когда
напряжение питания Е_П
= 10
В, а в качестве нагрузки использован
линейный двухполюсник с сопротивлением
R_H
= 1
кОм. График ВАХ этой нпгрузки приведен
на рис. 2..
Построения
предполагают, что в схеме применен
транзистор с коэффициентом
усиления по току h_21э=I_к0/I_б0
= 80.

Рассмотрим
работу транзистора при появлении во
входной (управляющей) цепи сигнальных
изменений, представленных в виде тока
ΔI_б.
Появление
на входе сигнального тока
ΔI_б
изменяет ход ВAX
транзистора.
В результате этого точка пересечения
графиков ВАХ занимает новое положение,
определяя сигнальные измене­ния ΔI_ки
ΔU_к-э
коллекторного
тока и разности потенциалов
кол­лектор—эмиттер.

Часто
двухполюсник нагрузки R_H
имеет
нелинейный характер, например с ВАХ,
отображенной на рис. 2.4, а.

Построения,
на­правленные на определение положения
ИРТ при нагрузке нели­нейного типа,
отображены на рис. 2.4, б..
Построения
осуществлены в соответ­ствии с методом
опрокинутой нагрузочной характеристики
и вы­текающим из него следующим
правилом: для того чтобы с помо­щью
графических построений определить
положение ИРТ, необ­ходимо в соответствии
с соотношением (*) на плоскости выходных
характеристик усилительного прибора
построить график ВАХ нагрузки, совместив
начало его координат с точкой U_K-э
=Е_п,I_к
= 0и изменить направление оси напряжений
этого графика на противоположное. Точка
пересечения построенного таким обра­зом
графика с графиком текущей выходной
ВАХ усилительного прибора определит
текущее положение РТ.

Нагрузочная
характеристика и траектория движения
рабочей точки

В
процессе воздействия сигналов на входные
зажимы усили­тельного прибора значения
токов и потенциалов в каскаде изме­няются,
а РТ занимает различные положения. Линия
на плоско­сти выходных ВАХ, по которой
движется РТ в процессе воздей­ствия
сигналов на вход усилительного прибора,
называется нагру­зочной
линией (линией
нагрузки), или нагрузочной
характеристи­кой.

В соответствии с
соотношением (*) следует , что при
резистивной нагрузке, когда взаимосвязь
тока, протекающе­го через нагрузку,
с создаваемой этим током разностью
потенци­алов однозначна (между
изменениями тока и напряжения нет
фазовых сдвигов и запаздываний),
нагрузочная характеристика имеет вид
линии. При этом в случае линейной нагрузки
в качестве нагрузочной характеристики
выступает прямая линия.

На рис
2.7 приведена траектория движения РТ для
случая, когда на иход транзисторного
каскада с резистивно-емкостной нагруз­кой
(нагрузка состоит из параллельного
соединения резистора R_H

и конденсатора С_н)
воздействует прямоугольный импульс
тока ΔI_б
положительного (втекающего) направления.
В процессе воз­действия сигнала и
после его окончания РТ движется из точки
а
и
последовательно проходит участки а—б,
б—в, в—г и
г—а.
Рас­смотрим
элемент траектории этого движения при
идеальном по быстродействию
транзисторе. В момент воздействия на
вход транзистора сигнального импульса
происходит мгновенный скачок его
коллекторного тока при неизменном
выходном напряжении. Эта Неизменность
обусловлена наличием в схеме конденсатора
С_н,
шунтирующего выход транзистора и
препятствующего мгновен­ным изменениям
выходной разности потенциалов U_K-э.
В
результате РТ участок а
— б проходит
практически мгновенно.

Время
прохождения участка б—
в определяется
временем перезарядки конденсатора С_н
через внешнюю по отношению к нему
резистивную
цепь. В качестве основного компонента
этой цепи пмпупает резистор R_H,
поэтому
за постоянную времени переза­рядки
конденсатора можно принять τ = C_HR_H.
В
условиях, когда мнительность сигнального
импульса существенно больше посто­янной
времени τ, РТ к моменту окончания
сигнального импульса оказывается в
точке в
момент окончания скачком перемеща­ется
из в
в г.
После окончания импульса РТ возвращается
по ли­нии г—а
в
исходное положение (в точку а),
при
этом постоянная времени переходного
процесса определяется значением
постоянной времени τ. Резистивная
составляющая R_H
нагрузки
определяетположение точек а
и
в
траектории
(нагрузочная характеристика отвечающая
резистору R_H,
отмечена
на рис. 2.7 штриховой линии ей). При
комплекс­ной нагрузке РТ может
существенно отклоняться от нагрузочной
линии. Данное обстоятельство в ряде
случаев может приводить к
выходу
РТ за пределы области безопасной работы,
вызывая перегрузку транзистора по току
(при емкостном характере нагруз­ки),
напряжению (при индуктивном) или по току
и напряжению (при индуктивно-емкостном).
В целях предотвращения выхода из строя
транзисторов в цепь нагрузки часто
включают спе­циальные элементы защиты,
такие как диоды, стабилитроны,варисторы

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

• Aug 17
  

  Ollleg changed the title to Расчёт рабочей точки по ВАХ. Усилитель SE на 6н7с + EL34

• Aug 17
  

  Ollleg pinned and featured this topic

• Aug 23
  

  Ollleg unpinned this topic

Понятие рабочей точки (РТ)

Анализ работы любого усилительного устройства удобно начинать с изучения его вольт-амперных характеристик. Основной характеристикой, используемой при таком анализе, является выходная характеристика, представляющая собой зависимость выходного тока от выходного напряжения:

({I}_{вых} = {f}{(}{{U}_{вых}}{)}left|{atop{{I}_{вх}={const}{, } { U}_{вх}={const}}}right.)

Рис. 3.1. Семейство выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ

На рис. 3.1 приведено семейство выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. В них в качестве выходного тока выступает ток коллектора (I_К), а в качестве выходного напряжения — напряжение между коллектором и эмиттером (U_{КЭ}). Заметим, что приблизительно так же будут выглядеть и выходные характеристики при включении с ОБ и ОК (рис. 3.12,б), а также выходные характеристики схем с полевыми транзисторами. Разница будет лишь в названиях электродов транзистора, выступающих в качестве выходных.

Очевидно, что при работе усилительного прибора величины входного напряжения и тока не остаются неизменными, а претерпевают некоторые колебания по закону изменения усиливаемого сигнала в определенном, задаваемом внешними цепями, диапазоне значений. При этом в каждый момент времени на семействе выходных характеристик можно указать единственную точку, соответствующую текущему состоянию усилительного прибора.

Если рассмотреть и другие характеристики усилителя (характеристики управления, входные характеристики, характеристики передачи), то окажется, что и на них эта точка всегда однозначно определена, если известны токи и напряжения на входных и выходных электродах.

Точка на плоскости выходных (или других) характеристик усилительного прибора, связывающая текущие значения напряжений и токов в нем, называется рабочей точкой. Заметим, что даже при отсутствии входного полезного сигнала усилительный каскад продолжает находиться в некотором вполне конкретном состоянии, которому соответствует некоторая вполне конкретная рабочая точка, ее обычно называют исходной рабочей точкой или рабочей точкой по постоянному току, если речь идет о транзисторном усилителе, предназначенном для усиления малых по амплитуде переменных токов и напряжений.

В дальнейшем все постоянные составляющие токов и напряжений на электродах усилительного прибора будем отмечать дополнительным индексом «0», а их переменные составляющие — дополнительным индексом «~» в соответствии с описанными в разделе 2.3 правилами. Т.е., например, значение коллекторного тока транзистора, соответствующее исходной рабочей точке (рабочей точке по постоянному току), будет обозначаться (I_{К_0}), при этом полный ток коллектора в каждый момент времени будет равен (I_К = I_{К_0} + I_{К_{sim}}), где в случае гармонического входного воздействия (I_{К_{sim}} = I_{К_m}sinleft({omega t + varphi}right)).

Взаимосвязь изменений выходного тока и напряжения и изменений входного сигнала должна быть не только причинно-следственной, но и по возможности линейной. Только при линейной (пропорциональной) функциональной зависимости возможно неискаженное воспроизведение усиливаемого сигнала на выходе каскада при работе на линейную резистивную нагрузку. Косвенным признаком возможности неискажающей работы усилительного прибора является эквидистантность (равномерная плотность) графиков выходных характеристик, представленных на рис. 3.1. Очевидно, что условие эквидистантности выполняется лишь в ограниченной области значений токов и напряжений. Область выходных характеристик усилительного прибора, где указанное условие выполняется с приемлемой для практики точностью, называется усилительной областью (областью линейного усиления). На выходных характеристиках биполярных транзисторов (рис. 3.1) эта область ограничивается с одной стороны так называемой линией насыщения (переход за эту линию означает переход транзистора в режим насыщения), а с другой — линией отсечки (переход в режим отсечки). При выходе рабочей точки транзистора за указанные пределы не только нарушается пропорциональная зависимость изменений выходного сигнала от изменений входного сигнала, но вообще прекращается управляющее воздействие входного сигнала на выходной ток и напряжение, т.е. транзистор полностью теряет усилительную функцию. Считается, что транзистор работает в усилительном режиме (класс усиления А), если в процессе усиления рабочая точка не соприкасается с линиями насыщения и отсечки.

Напряжения и токи, а также внешние по отношению к усилительному прибору электрические цепи, обеспечивающие заданное положение рабочей точки по постоянному току, называются соответственно напряжениями, токами и цепями смещения. Напряжения и токи смещения также часто называют начальными.