IV.3. Расчёт гармонических составляющих выходного тока
Проходные динамические характеристики.
Сквозные динамические характеристики.
Сквозная динамическая характеристика представляет собой зависимость выходного тока УЭ от ЭДС источника сигнала входной цепи при наличии в выходной цепи сопротивления нагрузки.
Сквозную динамическую характеристику используют для расчёта коэффициента гармоник транзисторных каскадов, поскольку в них нелинейные искажения возникают как во входной, так и в выходной цепях.
Построение сквозной динамической характеристики производят с использованием нагрузочной прямой переменного тока и входной характеристики транзистора.
Рис.4.5. Построение динамических характеристик транзисторного каскада:
а) семейство статических выходных характеристик и нагрузочные
прямые постоянного (1) и переменного (2) тока;
б) статическая входная характеристика транзистора;
в) сквозная динамическая характеристика переменного тока.
Для точек пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками отмечают значения выходного тока IК (рис.4.5а), а для соответствующих им точек статической входной характеристики транзистора – входные напряжения UВХ. и входные токи IБ. (рис.4.5б). ЭДС источника сигнала входной цепи для каждой из точек находят по выражению
ЕИСТ. = UВХ. + IВХ.· RИСТ. ……………………….. (4.5),
где RИСТ. – внутреннее сопротивление источника сигнала переменному току
в случае первого каскада усилителя и выходное сопротивление предыдущего каскада переменному току в случае последующих каскадов.
В обоих случаях RИСТ. определяют с учётом цепей смещения и стабилизации каскада, для которого строят сквозную характеристику. Отложив точки с найденными значениями IВЫХ. и ЕИСТ. в координатах (ЕИСТ., IВЫХ) и соединив их плавной линией, получают сквозную динамическую характеристику переменного тока для имеющегося значения RИСТ. (рис.4.5в).
Проходная динамическая характеристика представляет собой зависимость выходного тока от напряжения между входными электродами при наличии нагрузки в выходной цепи.
При расчёте усилительных каскадов используют лишь проходные динамические характеристики переменного тока. Ими удобно пользоваться для построения зависимости выходного тока от времени, т.е. формы кривой выходного тока каскада. Используются проходные характеристики в редких случаях, поэтому способ их построения здесь мы рассматривать не будем.
Для расчёта коэффициента гармоник усилительного каскада КГ нужно найти гармонические составляющие выходного тока, имеющие место при подключении к его входу источника синусоидальной ЭДС. Существует два способа определения гармонических составляющих выходного тока: графоаналитический и графический.
Графоаналитический способ гармонического анализа требует затраты большого количества времени и труда, длительных вычислений и даёт точность значительно выше необходимой.
При графическом способе расчёта коэффициента гармоник пользуются упрощёнными способами гармонического анализа, дающими достаточную для практики точность.
При усилении сигналов без преобразования их формы отсечка части усиливаемого колебания недопустима. В условиях усиления сигнала без отсечки выходной ток (при синусоидальной ЭДС источника) в основном состоит из постоянной составляющей, первой, второй и третьей гармоник. Четвёртая гармоника при этом обычно не превышает 1% от первой, а пятая и более высокие гармоники настолько малы, что практически не влияют на коэффициент гармоник.
Расчёт гармонических составляющих выходного тока, необходимых для определения коэффициента гармоник усилительного каскада, при наличии тока во входной цепи УЭ (ток во входной цепи имеется в усилительных каскадах на биполярных транзисторах и в лампах, работающих в режиме с сеточными токами) производят по сквозной динамической характеристике при помощи упрощённых методов гармонического анализа.
Наиболее употребительным является метод пяти ординат, при пользовании которым на сквозной динамической характеристике отмечают пять точек (рис.4.6), соответствующих:
1. Полной положительной амплитуде ЭДС источника сигнала ЕИСТ.m;
2. Половине амплитуды ЭДС источника сигнала 0,5ЕИСТ.m;
3. Точке покоя (отсутствию сигнала на входе каскада);
4. Половине отрицательной амплитуды ЭДС сигнала – 0,5ЕИСТ. m;
5. Полной отрицательной амплитуде ЭДС источника сигнала – ЕИСТ.
Рис.4.6. К расчёту гармонических составляющих выходного тока
транзисторного каскада по сквозной динамической
характеристике переменного тока.
Значения выходного тока в этих пяти точках обозначают соответственно через IМАКС., I1, I0, I2 и IМИН. Среднюю составляющую (среднее значение за период сигнала) выходного тока и амплитудные значения его первой, второй, третьей и четвёртой гармоник находят по следующим формулам:
IМАКС. + IМИН. + 2(I1 + I2)
IСР. = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾.
IМАКС.- IМИН. + I1 - I2
I1 m = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾.
IМАКС + IМИН. - 2I0
I2 m = ¾¾¾¾¾¾¾¾.
IМАКС.- IМИН.- 2(I1 - I2)
I3 m = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾.
IМАКС. + IМИН. - 4(I1 + I2) + 6I0
I4 m = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾.
Правильность вычислений проверяют по уравнению:
IСР. + I1m + I2 m + I3 m + I4 m = IМАКС.
Подставив найденные значения гармоник выходного тока в известную формулу:
Ö I22 m + I23 m + I24 m
КГ = ¾¾¾¾¾¾¾¾,
I1
рассчитывают коэффициент гармоник каскада для первых четырёх гармоник.
Найденное среднее значение выходного тока используют для расчёта тока, потребляемого от источника питания.
Контрольные вопросы:
1. Дайте определение выходным и входным характеристикам транзистора и объясните ход этих характеристик. Когда применяются эти характеристики?
2. Чем отличаются статические характеристики усилительного элемента от динамических?
3. Нарисуйте (желательно по памяти) усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером и постройте нагрузочную прямую на семействе статических выходных характеристик. Поясните принцип построения.
4. Объясните назначение фильтрующей цепочки RФ,CФ в цепи коллектора (стока) усилительного каскада с ОЭ (ОИ).
5. Дайте определение входной динамической характеристике биполярного транзистора и объясните, почему при расчётах можно пользоваться статическими характеристиками вместо динамических.
6. Дайте определение коэффициента гармоник усилителя. Для чего производится расчёт гармонических составляющих выходного тока усилителя?