Краткие теоретические сведения. Изучение режимов работы усилительного каскада

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Изучение режимов работы усилительного каскада

Мурманск

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Изучение режимов работы усилительного каскада

Методические указания к изучению дисциплины

«Устройства генерирования и формирования сигналов»

для студентов специальности 200700 «РадиотехникаАа»

и курсантов специальности 201300 «Эксплуатация транспортного радиооборудования»

Мурманск

УДК

ББК

Составители: Суслов Александр Николаевич, старший преподаватель кафедры

радиотехники и телекоммуникационных систем Мурманского

государственного технического университета;

Гурин Алексей Валентинович, старший преподаватель кафедры

радиотехники и телекоммуникационных систем Мурманского

государственного технического университета

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой 21 сентября

2007 г., протокол №1

Рецензент: Н.В. Калитёнков, к.т.н., доцент, зав. кафедрой РТКС Мурманского государственного технического университета

Электронная верстка

Мурманский государственный технический университет, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................

Цель работы...........................................................................................

Краткие теоретические сведения...........................................................

Ход работы............................................................................................

Контрольные вопросы...........................................................................

Список литературы................................................................................

Введение

Изучение работы усилителей сигналов в режиме с отсечкой тока, предусмотрено программой дисциплины «Устройства генерирования и формирования сигналов» в разделе «Генераторы с внешним возбуждением».

В методических указаниях рассматриваются характеристики электрических приборов усиления сигналов, основные принципы построения усилительных каскадов, режимы работы усилителей, даются описания методов их анализа, приведены рекомендации по моделированию работы активного элемента в режиме с отсечкой тока.

Методические указания предназначены для студентов и курсантов 4-го курса судоводительского факультета дневной и заочной форм обучения.

Цель работы

1. Ознакомиться с основными режимами работы усилительного каскада на биполярном транзисторе.

2. Изучить влияние параметров схемы на режимы работы каскада.

3. Получить практические навыки построения динамической характеристики активного элемента.

Краткие теоретические сведения

Эксплуатационные возможности электронных приборов в справочниках характе­ризуют двумя способами. Во-первых, приводятся таблицы посто­янных параметров для одного какого-либо режима и предельно допустимых параметров (токи, напряжения на электродах, рассе­иваемые мощности). Во-вторых, даются статические характеристики (СХ), т. е. зависимости токов в цепях различных электродов от комбинаций на электродах.

Различают три вида СХ: входные, выходные и проходные. К первым относятся: для ламп — СХ тока управляющей сетки от напряжения на сетке; для биполярных транзисторов — СХ тока базы от напряжения на базе . Ко вторым относятся: для ламп — СХ тока анода от напряжения на аноде ; для транзи­сторов — СХ коллекторного тока от напряжения на коллекторе. К третьим СХ относятся: для ламп — зависимости а для транзисторов .

В технике ламповых приборов выходные СХ часто называют СХ в анодной системе координат, а проходные — СХ в анодно-сеточной системе координат. Входные же характеристики часто раз­мещают и в той и в другой системе. Это оказывается возможным, поскольку напряжения на остальных электродах служат для СХ параметрами.

Статические характеристики различных ЭП имеют существен­ные различия как в форме и расположении графиков на поле ха­рактеристик, так и в значениях токов и напряжений, действующих на электродах. На рис. 1 — 3 приведены типичные СХ генера­торного триода, генераторного тетрода, мощных биполярных и по­левого транзисторов. По ним можно отметить две общие законо­мерности, относящиеся ко всем упомянутым здесь ЭП:

1. Области, в которых напряжение на управляющем и выход­ном электродах малы, отличаются резкой нелинейностью СХ.

2. В области, в которой напряжения на управляющем и выход­ном электродах велики, графики СХ становятся почти линейными. Часть поля характеристик, где имеются графики (т. е. выходной ток больше нуля), называют активной областью. Часть поля выходных характеристик ниже оси ординат, где выходной ток равен нулю, называют областью отсечки.

Рис. 1. Статические характеристики генераторного триода

Теперь кратко отметим особенности характеристик отдельных ЭП.

Для триодов: СХ очень крутые, а СХ , снятые при разных , имеют почти одинаковую форму, но начинаются при разных .

Рис. 2 Статические характеристики тетрода

Рис. 3. Статические характеристики биполярного транзистора

Сильное смещение этих характеристик при изменении имеет причиной большую проницаемость управляющей сетки. Статические характеристики сеточного тока начинаются при . В анодной системе координат характеристики почти линейны при больших значениях и резко изгибаются вверх при значениях , соизмеримых с

Для тетродов: выходные СХ сравнительно пологие (малая проницаемость экранирующей сетки), но круто обры­ваются вблизи , где — напряжение на экранирующей сетке.

Рис. 4. Статические характеристики полевого транзистора

Проходные характеристики веерообразны. Напряжение , при котором возникает веер, сильно зависит от напряжения Статические характеристики тока экранирующей сетки очень похожи на СХ тока сетки в триоде. В анодно-сеточной си­стеме координат ток , как правило, возникает при тех же значе­ниях , при которых возникает . Ток управляющей сетки мал и почти не зависит от

Для генераторных пентодов: выходные СХ похожи на триодные, но идут значительно положе из-за малой проницае­мости экранирующей сетки. Проходные характеристики, а также СХ токов и очень похожи на соответствующие характеристики тетродов.

Для биполярных транзисторов (БТ): выходные СХ очень похожи на пентодные; при малых и средних значениях то­ка его СХ почти горизонтальны. Некоторая веерообразность этих характеристик появляется при малых значениях и больших значениях .

Входные и проходные характеристики и начинаются при , очень похожи и различаются только крутизной.

Для полевых транзисторов (ПТ): выходные СХ тран­зисторов с коротким каналом очень похожи на СХ пентодов; вы­ходные же СХ транзисторов с длинным каналом от­личаются очень широкой зоной, где характеристики являются существенно нелинейными из-за высокого и нелинейного сопротивления канала. Проходные СХ почти линейны в большом диапазоне напряжений на затворе .

Статические характеристики электронных приборов содержат исчерпывающие све­дения для выбора режимов и расчета их параметров. Однако это справедливо только для диапазона рабочих частот, в котором ха­рактеристики не зависят от частоты. Верхняя граничная частота этого диапазона для равных ламп колеблется ют 30 МГц до 6 ГГц, для БТ составляет десятки — сотни килогерц, для ПТ — около 60 ... 80 МГц.

Наиболее простой метод анализа работы ГВВ с различными ЭП основывается на наиболее простой аппроксимации СХ, которая называется идеализацией.Эта аппроксимация выполняется по сле­дующим правилам:

1. Каждая из СХ заменяется тремя отрезками прямой, которые наиболее точно аппроксимируют участки статических характерис­тик с наименьшей кривизной.

2. Линия граничного режима аппроксимируется в соответствии с п.1 отрезком прямой.

3. В тех областях, где семейство СХ расходится веерообразно из одной точки (см. рис. 1,б и 2,а, б), все СХ аппроксимируют­ся одним отрезком прямой, который является аппроксимацией СХ в середине веера.

4. В активной области (в области ННР) все отрезки аппрокси­мирующих прямых должны быть параллельны и находиться на одинаковом расстоянии друг от друга, если перепады между на­пряжениями, при которых снимались СХ, одинаковы.

Для генераторных триодов каждая СХ анодного тока аппроксимируется тремя отрезками: первый совпадает с осью абсцисс при ; второй совпадает с линией граничного режима; третий аппроксимирует СХ в активной области. Линия граничного режима исходит из одной точки А В системе анодно-сеточных координат линия граничного режи­ма проходит в области .

Семейство идеализированных характеристик триода полностью определяется следующими четырьмя параметрами: крутизной ха­рактеристики анодного тока ; крутизной линии граничного режима ; проницаемостью управляющей сетки при сеточным или анодным напряжением приведения или . Напряжения приведения оп­ределяются следующим образом: сеточное напряжение проведения равно напряжению на управляющей сетке, при котором идеализированная характеристика анодного тока в координатах , проходит через точку , . Анодное напряжение проведения соответственно равно напряжению на аноде, при котором иде­ализированная характеристика в анодно-сеточной системе коорди­нат проходит через точку , .

У тетродов вследствие малой совместной проницаемости управляющей и экранирующей сеток идеализированные характеристики — горизонтальные Линия граничного режима может быть принята вертикальной прямой, исхо­дящей из точки . В анодно-сеточной системе коорди­нат все идеализированные характеристики тока , начинаются в точке (напряжение отсечки); правее точки все ха­рактеристики собраны в одну, от которой отщепляются характери­стики при разных напряжениях на аноде. Все семейство идеализированных характеристик тетрода характеризуется также четырьмя параметрами:

напряжением на экранирующей сетке , при изменении кото­рого изменяется напряжение отсечки анодного тока:

напряжением приведения экранирующей сетки т. е. напряжением на экранирующей сетке, при котором наклонная часть характеристики в координатах исходит из нуля;

совместной проницаемостью управляющей и экранирующей сеток ( ), ; при ,

крутизной характеристики анодного тока при , .

Следует заметить, что, поскольку СХ токов управляющих сеток триодов и тетродов и тока экранирующей сетки тетрода существен­но нелинейные, их обычно не идеализируют. Имеющиеся методы расчета параметров цепей этих сеток очень просты и дают достаточно точные для инженерных расчетов результаты.

При идеализации характеристик выходного тока биполярных и полевых транзисторов обычно учитывают, что при сравнительно малых значения к выходной ток не зависит от напряжения на выходном электроде (коллекторе, стоке). Поэтому идеализированные характеристики выходного тока в координатах представляют собой горизонтальные прямые, соответствующие тому или другому входному току (для биполярных транзисторов) или на­пряжению на затворе (для полевых транзисторов) Для описания семейства идеализированных характеристик би­полярных транзисторов используют: крутизну линии граничного режима ; крутизну характеристики коллекторного тока при . Чаще эту величину называют усилением транзистора по токув схеме с ОЭ; напряжение отсечки, т. е напряжение на базе , при котором имеет место отсечка коллекторного тока. Для полевых транзисторов с той же целью применяется крутизна линии граничного режима ; напряжение отсечки и крутизна характеристики тока стока ; при . При использовании идеализированных характеристик для ана­лиза ГВВ на транзисторах следует учитывать, что результаты ана­лиза имеют достаточную точность для биполярных транзисторов лишь в области низких частот .

Схема замещения простейшего апериодического усилителя показана на рис. 5.

Рис. 5. Апериодический транзисторный усилитель ОЭ: а — схема замещения коллекторной цепи; б — частотная характеристика.

Усилительный прибор обозначен в виде зависимого источника питания с внутренней проводимостью . Емкость включает в себя междуэлектродную емкость активного элемента, а также емкость внешней цепи, шунтирующий резистор . Схема на рис. 5 является обобщенной, применимой к любому активному элементу.

В случае транзисторного усилителя под крутизной S следует подразумевать величину , а под параметр .