Линия нагрузки усилительного каскада уравнение (2 видео)

Линия нагрузки усилительного каскада по постоянному току.

Рассмотрим усилительный каскад с общим эмиттером.

При отсутствии входного сигнала, зависимость между током и напряжением выходной цепи усилительного каскада описывается следующим уравнением

(12.1) уравнение линии усилительного каскада по постоянному току.

, ,

12.1 – это уравнение прямой, поэтому построить линию нагрузки можно по двум точкам.

1. ;

2. ;

Строим нагрузочную прямую на выходных вольт-амперных характеристиках транзистора.

Рабочая точка усилительного каскада находится только на нагрузочной прямой. Линия нагрузки усилительного каскада по постоянному току представляет собой геометрическое место точек, координаты которых и соответствуют возможным значением рабочей точки данного каскада.

Предположим выбираем рабочую точку на выходной характеристике. На выходной характеристике рабочая точка будет находиться на пересечении соответствующей входной характеристике при с линии нагрузки усилительного каскада. Линия нагрузки усилительного каскада по постоянному току используется для анализа каскада по постоянному току графо-аналитическим методом. При таком расчете выбираются все элементы усилительного каскада. Преимущество в наглядности данного метода.

Режим работы усилительных каскадов. Классы усиления

В зависимости от положения рабочей точки на линии нагрузки усилительного каскада различают несколько режимов работы усилительных каскадов, отличающихся друг от друга своими свойствами.

А, В, АВ – для усилительных каскадов.

С – для резонансных каскадов.

D – ключевой режим.

Режим класса А – это такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи существует в течении времени всего периода сигнала. В режиме класса А рабочая точка находится на середине нагрузочной линии.

Линия нагрузки усилительного каскада уравнение

Свойства данного режима

1. Минимальные нелинейные искажения.

2. Низкий КПД (недостаток). , — полезная мощность, — потребляемая мощность от всех источников питания.

, — коллекторный ток в режиме покоя.

КПД мал потому что очень большой, , поэтому такой режим работы используется в маломощных усилительных каскадах предварительного усиления.

Режим класса В – это такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи существует в течении половины периода сигнала. Рабочая точка находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой , то есть (см. рис.13.1). Ток протекает половину периода сигнала .

При наличии входного сигнала ток коллектора протекает только в течении одного полупериода, а в течении другого транзистор работает в режиме отсечки тока, так как область ниже кривой при называется областью отсечки (см. рис. 13.1). режиму покоя соответствует напряжение , то есть напряжение на базу не подается при этом . Основное достоинство этой схемы – малое потребление энергии, так как мал и следовательно высокий КПД= 60÷70%. Недостатком режима являются большие нелинейные искажения, так как рабочая точка находится на нелинейном участке входной вольт-амперной характеристики.

Используется в следствии высокой экономичности в усилителях большой мощности, мощных усилительных каскадах, в двухтактных усилительных каскадах, когда в одном такте усиливается одна полуволна, а в другом – другая полуволна.

Режим класса АВ – является промежуточным между режимами А и В. в этом режиме подается такое смещение на базу, чтобы рабочая точка попала на начало линейного участка входной вольт-амперной характеристики. Это позволит существенно уменьшить нелинейные искажения входного сигнала, а КПД останется достаточно большим (см.рис. 13.2). Это наиболее используемый режим отсечки.

Режим класса С – это такой режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи течет меньше половины периода сигнала, рабочая точка располагается на пересечении линии нагрузки с горизонтальной осью выходной вольт-амперной характеристики (см. рис 13.1). Используется в мощных резонансных усилителях, где нагрузка является резонансный контур (в радиопередающих устройствах).

Режим класса D – это ключевой режим, при котором усилительный элемент находится только в двух состояниях: либо заперт – режим отсечки, либо полностью открыт – режим насыщения. В ключевом режиме потери энергии малы, а КПД – высок и более 90% ,

Используется в импульсных и цифровых схемах.

Каскады усиления мощности.

Обычно являются выходными каскадами к которым подключаются нагрузка и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности. Могут быть однотактными и двухтактными, трансформаторными и бестрансформаторными. Могут включаться по разным схемам. Они могут быть достаточно разными. Вид выходного каскада определяется режимом работы.

Содержание

Анализ линии нагрузки транзистора
Выходные характеристики
Нагрузка линии
Линия нагрузки постоянного тока
Чтобы получить
Нагрузочная характеристика усилительного каскада
🎥 Видео

Видео:Лекция 199. Влияние нагрузки на коэффициент усиления каскадаСкачать

Анализ линии нагрузки транзистора

До сих пор мы обсуждали различные области работы транзистора. Но среди всех этих областей мы обнаружили, что транзистор хорошо работает в активной области и, следовательно, он также называется линейной областью . Выходами транзистора являются ток коллектора и напряжение коллектора.

Видео:Лекция «Методы расчета усилительных каскадов на биполярных транзисторах»Скачать

Выходные характеристики

При рассмотрении выходных характеристик транзистора кривая выглядит следующим образом для различных входных значений.

На приведенном выше рисунке выходные характеристики показаны между током I _C коллектора и напряжением V _CE коллектора для различных значений базового тока I _B. Они рассматриваются здесь для различных входных значений, чтобы получить различные выходные кривые.

Видео:Расчет параметров биполярного транзистора│Задача ч. 1Скачать

Нагрузка линии

Когда рассматривается значение максимально возможного тока коллектора, эта точка будет присутствовать на оси Y, которая является ничем иным, как точкой насыщения . Кроме того, когда рассматривается значение максимально возможного напряжения эмиттера коллектора, эта точка будет присутствовать на оси X, которая является точкой отсечки .

Когда рисуется линия, соединяющая эти две точки, такую линию можно назвать линией загрузки . Это называется так, как он символизирует выход при нагрузке. Эта линия, проведенная над кривой выходной характеристики, вступает в контакт в точке, называемой рабочей точкой или точкой покоя, или просто Q-точкой .

Понятие линии нагрузки можно понять из следующего графика.

Линия нагрузки рисуется путем соединения точек насыщения и обрезания. Область, которая лежит между этими двумя, является линейной областью . Транзистор действует как хороший усилитель в этой линейной области.

Если эта линия нагрузки отображается только тогда, когда на транзистор подается смещение постоянного тока, но входной сигнал не подается, то такая линия нагрузки называется линией нагрузки постоянного тока . В то время как линия нагрузки проведена в условиях, когда подается входной сигнал вместе с напряжениями постоянного тока, такая линия называется линией нагрузки переменного тока .

Видео:3 2 1 Усилительные каскады на биполярных транзисторахСкачать

Линия нагрузки постоянного тока

Когда на транзистор подается смещение, и на его вход не подается сигнал, линия нагрузки, проведенная в таких условиях, может пониматься как состояние постоянного тока . Здесь не будет усиления, так как сигнал отсутствует . Схема будет такой, как показано ниже.

Значение напряжения эмиттера коллектора в любой момент времени будет

V C E = V C C − I C R C

Поскольку V _CC и R _C являются фиксированными значениями, приведенное выше является уравнением первой степени и, следовательно, будет представлять собой прямую линию на выходных характеристиках. Эта линия называется линией нагрузки постоянного тока . На рисунке ниже показана линия нагрузки постоянного тока.

Чтобы получить линию нагрузки, необходимо определить две конечные точки прямой. Пусть эти две точки будут A и B.

Чтобы получить

Когда напряжение эмиттера коллектора V _CE = 0, ток коллектора максимален и равен V _CC / R _C. Это дает максимальное значение V _CE . Это показано как

V C E = V C C − I C R C

0 = V C C − I C R C

I C = V C C / R C

Это дает точку A (OA = V _CC / R _C ) на оси тока коллектора, показанной на рисунке выше.

Видео:Лекция 15. Зависимости режима работы усилителя от напряжения питания и сопротивления нагрузкиСкачать

Нагрузочная характеристика усилительного каскада

В процессе воздействия сигналов на входные электроды усилительного прибора значения токов и напряжений в каскаде изменяются, а рабочая точка занимает различные положения. Линия на плоскости выходных характеристик, по которой движется рабочая точка в процессе воздействия сигналов на вход усилителя, называется нагрузочной линией или нагрузочной характеристикой. При чисто резистивном характере нагрузки в области линейного усиления нагрузочная характеристика имеет вид прямой, совпадающей с вольт-амперной характеристикой сопротивления нагрузки R_Н .

На рис. 3.2 показаны графики изменения всех токов и напряжений транзистора в схеме с ОЭ при гармоническом входном сигнале, построенные по статическим характеристикам транзистора (т.н. графоаналитический расчет транзисторного каскада усиления).

Рис. 3.2. Графический анализ токов и напряжений в усилительном каскаде по схеме с ОЭ, нагрузочная характеристика транзисторного усилительного каскада

Совершенно аналогично будет выглядеть и графоаналитический расчет каскада на полевом транзисторе. Для примера на рис. 2-2.1 показаны графики изменения всех токов и напряжений полевого МДП-транзистора в схеме с ОИ при гармоническом входном сигнале, построенные по статическим характеристикам транзистора. Заметим, что для графического расчета каскада на полевом транзисторе достаточно изображения только характеристики передачи и выходной характеристики (для биполярных транзисторов мы строим также и входную характеристику).

Рис. 2-2.1. Графический анализ токов и напряжений в усилительном каскаде на МДП-транзисторе по схеме с ОИ, нагрузочная характеристика усилительного каскада на полевом транзисторе

При комплексной нагрузке, например при резистивно-емкостном ее характере, между сигнальными изменениями тока и напряжения наблюдаются фазовые сдвиги, в результате чего рабочая точка в процессе усиления сигналов перемещается на плоскости выходных характеристик транзистора не по линии, а по контуру, называемому траекторией движения рабочей точки. Конфигурация этой траектории зависит от формы сигнала, его интенсивности и скорости изменения во времени, а также от степени отклонения характера нагрузки от резистивной.

В общем случае при комплексной нагрузке рабочая точка может существенно отклоняться от резистивной нагрузочной характеристики, что в ряде случаев приводит к ее выходу за пределы области безопасной работы транзистора и перегрузке выходной цепи по току (при емкостном характере нагрузки) или напряжению (при индуктивном). В целях предотвращения выхода из строя транзисторов в цепь нагрузки часто включают специальные элементы защиты, такие как диоды, стабилитроны, варисторы.

Выше говорилось, что задание положения исходной рабочей точки транзистора по постоянному току осуществляется внешними цепями смещения. Такие цепи могут иметь различную конфигурацию, зависящую от нескольких факторов: типа транзистора, схемы включения, необходимости обеспечения устойчивости к температурным воздействиям и независимости от параметров конкретного транзистора.

Как известно, существует три варианта включения биполярных транзисторов в усилительные электрические цепи: схема с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК). Свои названия эти схемы получили по имени электрода, относительно которого производится задание всех напряжений и сигналов в цепи. В принципе, способы установки положения рабочей точки по постоянному току можно было бы рассматривать, вообще абстрагируясь от конкретных схем включения, опираясь только на знание физических процессов внутри прибора. Однако это и не принято, и неудобно, и не совсем приближено к практике. Поэтому применим классический подход, и будем анализировать все названные случаи по отдельности (аналогично мы поступим и в отношении полевых транзисторов, для которых существуют: схема с общим истоком, схема с общим стоком и схема с общим затвором).