Работа биполярного транзистора в режиме усиления гармонического сигнала

При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах на его входной цепи в большинстве случаев действуют гармонические входные сигналы. Эти сигналы создают входные и выходные токи транзистора, изменяющиеся также по гармоническому закону. Выходной ток, протекая по сопротивлению нагрузки R_K, создает в нем выходное напряжение, которое обычно несколько раз превышает входное напряжение. Таким образом, транзистор работает в режиме усиления входного гармонического напряжения. Усиление транзистора зависит от величины сопротивления нагрузки, от режима работы транзистора по постоянному току и от схемы включения транзистора (см. раздел 3.5).

Наиболее эффективно усиление транзистора происходит в схеме с ОЭ и, поэтому, рассмотрим работу режиме усиления гармонического сигнала в этой схеме включения.

На рисунке 6.7 показана упрощенная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером.

В этом каскаде используется один источник питания E_К, который задает обратное смещение на коллектор, а для задания режима работы транзистора по постоянному току на переход эмиттер-база (напряжение V_БЭ0) применен делитель R₁, R₂. При этом , где ток делителя . Резисторы R₁ и R₂ выбирают такими, чтобы ток делителя был много больше входного тока базы при отсутствии сигнала (I_Д>>I_Б). Это позволяет исключить

влияние возможного изменения режима работы транзистора, вместе с этим и

Рис. 6.7. Электрическая схема простейшего усилителя на биполярном транзисторе

в схеме с ОЭ.

тока базы, на напряжение V_БЭ0. По входной характеристике транзистора, снятого при некотором обратном напряжении на коллекторе (рис.6.2,а) можно найти значение тока I_Б0 соответствующее напряжению V_БЭ0. Конденсаторы С_Р1 и С_Р2 в схеме усилителя служат для выделения гармонической составляющей соответственно входного и выходного сигналов. На сопротивлении R_К выделяется усиленный выходной сигнал.

Теперь возникает вопрос, как выбрать значения V_БЭ0 или I_Б0, задающие режим работы транзистора по постоянному току, для данного транзистора при заданном напряжении питания E_К и резистора R_К, чтобы обеспечить максимальное усиление и минимальное искажение усиленного сигнала?

Для расчета режима по постоянному току на практике широко используется графоаналитический метод. В этом методе на семействе выходных статических характеристик транзистора строится линия нагрузки, которая устанавливает связь между I_К и V_КЭ при заданном Е_К и R_K (рис.6.8).

Рис. 6.8. Графики для определения по выходным характеристикам амплитудных значений переменных составляющих тока и напряжения на выходе транзистора.

По второму закону Кирхгофа для выходной цепи схемы рисунка 6.7 имеем

. (6.9)

Из (6.9) вытекает

. (6.10)

Выражение (6.10) и представляет собой уравнение линии нагрузки. Она изображается прямой линией и, поэтому, ее часто называют нагрузочной прямой.

Линию нагрузки в соответствие с уравнением (6.10) строят по двум точкам. В системе координат I_К, V_КЭ первая точка определяется по оси токов координатами: V_КЭ=0, , а вторая на оси напряжений координатами: I_К=0, . Соединяя эти точки прямой, получаем выходную нагрузочную характеристику (рис.6.8). Заметим, что чем больше нагрузочное сопротивление R_К, тем меньше I*_К и меньше наклон нагрузочной прямой: при R_К ®0 она вертикальна, при R_К ®¥ приближается к оси абсцисс.

Как видно из рисунка (6.8), нагрузочная прямая пересекает статические характеристики. Точки пересечения и определяют значения I_К и V_КЭ, которые соответствуют различным величинам тока базы I_Б (параметра этих характеристик). Точка пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, соответствующей заданному значению I_Б0, называют точкой покоя или рабочей точкой. Значения I_К0 (не путать с обратным тепловым током р-п -перехода) и V_КЭ0, соответствующие точке покоя А при токе базы I_Б0 (см. рис.3.3), определяют режим работы транзистора по постоянному току. При заданных значениях E_К и R_К рабочая точка транзистора может быть задана одним параметром: или I_Б0, или I_К0 и V_КЭ0. Если точка покоя (точка А) установлена примерно в середине линии нагрузки, то усилитель в этом случае работает в режиме класса А. Режим класса А применяется для усиления слабых сигналов при минимальном нелинейном искажении. Если ток базы I_Б = 0 (точка В на рис.6.8), то транзистор работает в режиме класса В, используемый для усиления сигналов по мощности.

Пусть в режиме класса A на входе усилителя (рис.6.7) имеется низкочастотное синусоидальное напряжение сигнала с амплитудой U_вхm (рис.6.9). Тогда напряжение между базой (входом) и общей точкой определится

(6.11)

Так как входные характеристики транзистора в нормальном активном режиме слабо зависят от напряжения V_КЭ, то можно считать, что рабочая точка, определяющая ток базы в любой момент времени, перемещается по одной входной характеристике вверх и вниз в определенных пределах. При этом периодическое изменение базового тока приближенно можно представить выражением

(6.12)

Рис. 6.9. Графики для определения по входной характеристике амплитудных значений переменных составляющих тока и напряжения на входе транзистора.

где I_Бm - амплитуда переменной составляющей базового тока, соответствующая входному напряжению U_вхm. При таком законе изменения базового тока соответствующая рабочая точка в семействе выходных характеристик (рис.6.8) будет перемещаться с частотой w по нагрузочной прямой между точкой С, соответствующей максимальному значению тока базы I_{Б max} = I_Б0 + I_{Б m}, и точкой Е, определяемой минимальным током I_{Б min} = I_Б0 – I_{Б m}. При этом коллекторный ток I_K также имеет синусоидальный характер и изменяется от значения I_{К max} = I_К0 + I_Кm до I_Кmin = I_К0 – I_Кm, где I_{К m} - амплитуда переменной составляющей коллекторного тока. Из-за наличия R_К изменение I_К вызывает синусоидальное изменение V_КЭ от значения V_{КЭ min} = V_КЭ0 – U_2m до V_{КЭ max} = V_КЭ0 + U_2m, где U_2m = U_выхm = I_{К m} R_К - амплитудное значение полезного усиленного сигнала на резисторе R_К, характеризующее усилительный эффект биполярного транзистора.

По определению коэффициент усиления каскада по напряжению (см.раздел 3.5)

,

а по току

.

Мощность выходного синусоидального сигнала

Мощность входного сигнала в базовой цепи

Можно ввести коэффициент усиления по мощности

Мощность, потребляемая от источника питания в выходной цепи в состоянии покоя (при отсутствии сигнала),

Часть этой мощности рассеивается в резисторе (P_Rк), часть выделяется (рассеивается) на коллекторе БТ (P_К0):

Так как согласно (6.9) , то имеем

Однако при наличии сигнала выделяемая на коллекторе мощность P_К становится меньше P_К0 на величину полезной мощности сигнала P_вых, выделяемой в нагрузке, т.е.

Коэффициент полезного действия коллекторной (выходной) цепи определяется как

Из анализа рисунка 6.8 можно заключить, что если ток базы при изменении U_{вх m} не будет выходить за пределы нормального активного режима на нагрузочной прямой, то выходной ток и выходное напряжение будут меняться по закону изменения входного напряжения практически без искажений. В противном случае рабочая точка А будет заходить или в область насыщения или в область отсечки и каскад усиления будет работать с нелинейными искажениями, что приведет к искажению формы выходного сигнала.

Рассмотренный графоаналитический метод расчета параметров усилительного каскада на биполярном транзисторе дает достаточно надежные результаты в области низких и средних частот, пока не проявляются паразитные реактивные элементы транзистора и каскада в целом.

Контрольные вопросы.

1. Опишите статические входные и выходные вольтамперные характеристики реального транзистора в схеме с ОБ.

2. Опишите статические входные и выходные вольтамперные характеристики реального транзистора в схеме с ОЭ.

3. Какие основные различия имеются в входных и выходных вольтамперных характеристиках транзистора в

схеме с ОБ и ОЭ.

4. Как влияет температура на статические вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОБ с ОЭ?

5. Как выполняется расчет h -параметров транзистора на основе статических вольтамперных характеристик транзистора?

6. Расскажите о графоаналитическом методе расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе.

Дата добавления: 2015-05-06