Работа транзистора в усилительном режиме

Одним из основных применений транзистора является усиление электрических сигналов. Для этого транзистор может быть включен по схеме с ОЭ, ОК или ОБ. Наиболее часто применяется схема с общим эмиттером (рис.2.20). Она содержит транзистор, в коллекторную цепь которого включен резистор R_к, а в базовую - резистор R_б.

Эти резисторы служат для того, чтобы обеспечить требуемый режим работы транзистора по постоянному току. Увеличивая сопротивление R_б, можно уменьшить постоянный ток базы I_{б 0}, при этом будет увеличиваться постоянное напряжение U_{кэ 0}. Увеличивая сопротивление R_к, можно уменьшить ток I_{к 0}, вследствие чего произойдет увеличение напряжения U_{кэ 0}. Обычно сопротивления R_к и R_б подбирают (рассчитывают) таким образом, чтобы выполнялось условие .

На базу транзистора через конденсатор С_б подают сигнал, подлежащий усилению. Наличие на базе этого сигнала изменяет напряжение u_бэ и, соответственно ток i_б, а также ток i_к и напряжение u_кэ. Если режим работы по постоянному току выбран правильно, то изменение напряжения u_кэ будет в точности повторять изменение напряжения u_бэ, но с большей амплитудой, то есть произойдет усиление напряжения сигнала. Усиленный сигнал через конденсатор С_к поступает на внешнюю нагрузку R_н, которая является потребителем сигнала. Функции внешней нагрузки может выполнять громкоговоритель, реле, сигнальное устройство и т.д.

Рассмотрим графически, как происходит усиление сигнала.

На рис. 2.21 показаны временные диаграммы токов и напряжений в базовой цепи, а на рис. 2.22 в коллекторной цепи.

Режим работы по постоянному току определяется резисторами R_к и R_б. Для этого в системе координат i_к = f (u_кэ) строят нагрузочную прямую коллекторной цепи. Точки пересечения этой линии с выходными характеристиками определяют режим работы коллекторной цепи при конкретном значении тока базы. В качестве исходной рабочей точки выбирают пересечение нагрузочной прямой с той выходной характеристикой, при которой выполняется условие . Этой рабочей точке соответствует ток базы i_б = I_{б 0}.

Чтобы обеспечить получение тока I_{б 0}, в системе координат i_б = f (u_бэ) строят нагрузочную прямую цепи базы (рис.2.22). Для этого на входной характеристике выделяют точку А, которая является исходной рабочей точкой базовой цепи, в этой точке i_б = I_{б 0}, и проводят прямую линию через точки А и Е_ИП. Наклон этой линии определяет значение сопротивления R_б. После того, как задан режим работы по постоянному току, строят графики временных зависимостей токов и напряжений, полагая входной сигнал синусоидальным.

Пусть внешняя нагрузка отсутствует, а на базу транзистора через разделительный конденсатор С_б поступает напряжение с амплитудой U_бэт, изменяющее положение рабочей точки. При положительной полуволне синусоидального напряжения рабочая точка по входной характеристике сдвигается вверх, максимуму напряжения соответствует точка В. При отрицательной полуволне рабочая точка сдвигается вниз, минимуму напряжения соответствует точка С. В результате ток базы изменяется с амплитудой I_бт. Изменение тока базы вызывает изменение положения рабочей точки на выходных характеристиках. При положительной полуволне она сдвигается вверх и занимает положение В’, а при отрицательной полуволне сдвигается вниз и занимает положение С’. При этом ток коллектора изменяется с амплитудой I_кт, а напряжение – с амплитудой U_кэт, причем напряжение на коллекторе находится в противофазе с напряжением на базе.

При наличии внешней нагрузки, подключенной к коллектору через конденсатор, нагрузочная линия изменяет свой наклон, так как сопротивление переменному току уменьшается, но не изменяется режим работы по постоянному току, поэтому нагрузочная линия проходит через ту же точку А’, но пересекает выходные характеристики, соответствующие максимуму и минимуму тока базы в точках В’ и С’. При этом амплитуда U_кэт уменьшается, а амплитуда I_кт незначительно возрастает. При этом уменьшается выходная мощность переменного тока..

Определив таким образом амплитуды входных и выходных сигналов, можно рассчитать параметры усилителя:

- коэффициент усиления напряжения;

- коэффициент усиления тока;

- коэффициент усиления мощности;

- входное сопротивление;

- выходное сопротивление;

- коэффициент полезного действия, где - мощность, потребляемая от источника питания.

Усиление электрических сигналов происходит за счет преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока , выделяемую в нагрузке. При этом КПД оказывается не очень высоким, порядка 0,25. Поэтому рассматриваемый режим, называемый линейным применяют в основном в маломощных усилителях.

Дата добавления: 2014-01-06