Электроника / Лекция 08

1. Графический анализ процесса усиления

Детальный анализ процесса усиления в каскаде на биполярном транзисторе для наглядности целесообразно проводить при использовании построений на входной и выходной характеристиках прибора, которые представлены на рис.2.5 и 2.6. Каскад работает в режиме, при котором точка покоя находится в центре рабочей области на выходной характеристике транзистора, где зависимости токов и напряжения можно считать линейными. Значения электрических параметров в этой точке (постоянных токов базы и коллектора, I_БП и I_КП, а также постоянных напряжений база-эмиттер и коллектор-эмиттер, U_БЭП и U_КЭП) представлены на рис.2.5 и 2.6 горизонтальными (для токов) и вертикальными (для напряжений) прямыми.

При подаче переменного напряжения на вход усилительного каскада величина напряжения база-эмиттер u_БЭ будет изменяться относительно U_БЭП. Поэтому, как показано на рис.2.5, наряду с постоянной составляющей напряжения база-эмиттер U_БЭП, появляется переменная составляющая этого напряжения с амплитудой U_БЭm. При изменении напряжения u_БЭ в течение периода входного сигнала наблюдается перемещение рабочей точки по входной характеристике относительно точки покоя П, а, следовательно, появление переменной составляющей базового тока с амплитудой I_Бm, что также иллюстрируется на рис.2.5.

Положение рабочей точки на выходной характеристике определяется пересечением вольт-амперной характеристики, соответствующей току базы в фиксированный момент времени, с линией нагрузки по переменному току, поэтому изменение тока базы в течение периода, которое происходит в интервале значений от I_БП - I_Бm д о I_БП + I_Бm, вызывает перемещение

Рисунок 2.5. Графическое определение мгновенных значений тока

и напряжения входной цепи транзистора в составе

усилительного каскада ОЭ

Рисунок 2.6. Графическое определение мгновенных значений тока

и напряжения выходной цепи транзистора в составе

усилительного каскада ОЭ

рабочей точки на выходной характеристике относительно точки покоя. Это перемещение происходит вдоль линии нагрузки по переменному току. Рабочая точка смещается вниз от точки покоя П при отрицательном полупериоде входного переменного напряжения (до точки В) и вверх – при положительном (до точки А), как показано на рис.2.6. Перемещение рабочей точки по линии нагрузки приводит к появлению переменных составляющих коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер, а, следовательно, к появлению переменных составляющих этих параметров. Амплитуды переменных составляющих обозначены на рис.2.6, соответственно, I и U. Величины этих амплитуд связаны между собой законом Ома через величину сопротивления нагрузки транзистора по переменному току

I = . (2.8)

Переменная составляющая напряжения u через конденсатор С передается в выходную нагрузку. Переменный ток коллектора не весь протекает через сопротивление нагрузки R. Поскольку резисторы Rи R в цепи переменного тока к выходу транзистора подключены параллельно, то амплитуда переменного тока в нагрузке

I = I. (2.9)

Тогда величина мощности в нагрузке может быть определена как

Р = 0,5 I U . (2.10)

Откуда видно, что для получения более высоких значений выходной мощности сопротивление резистора R должно быть существенно больше сопротивления нагрузки.

Построения на рис.2.5 и 2.6 приведены для случая, когда точка покоя находится в центре рабочей области на выходной характеристике транзистора. Такой режим каскада по постоянному току соответствует режиму класса А. Если точка покоя находится на вольтамперной характеристике для I_Б = 0, такой режим называется классом В. В этом режиме работы эмиттерный переход транзистора будет находиться в открытом состоянии только в течение положительного полупериода входного напряжения, а перемещение рабочей точки в течение периода входного сигнала возможно лишь в сторону больших значений коллекторного тока и меньших значений напряжения коллектор-эмиттер. Таким образом, в этом режиме ток коллектора транзистора представляет собой ряд импульсов с периодом, совпадающим с периодом входного сигнала, как показано на рис.2.7.

Рисунок 2.7. Временная зависимость коллекторного тока

транзистора в составе усилительного каскада в режиме класса В

Разложение в ряд Фурье импульсов на рис.2.7 показывает, что переменная составляющая тока коллектора, кроме основной, первой гармоники, имеющей частоту входного сигнала, содержит и высшие гармоники с частотами, кратными частоте входного сигнала. Наличие высших гармоник свидетельствует об искажении сигнала при его усилении, т.е. о нелинейном режиме усиления каскада. Этим режим усиления класса В принципиально отличается от режима класса А, при котором возможно усиление без искажения сигнала.

В усилителе возможна реализация режима класса С, когда точка покоя находится ниже оси U. Коллекторный ток в таком режиме имеет вид также ряда импульсов, но их длительность будет меньше полупериода входного сигнала. Следовательно, режим усиления класса С является нелинейным.

Анализ построений на рис.2.5 и 2.6 показывает, что положительному полупериоду входного напряжения соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения, а отрицательному полупериоду входного напряжения соответствует положительный полупериод выходного, т.е. при усилении происходит изменение фазы сигнала на 180. Таким образом, усилитель со схемой, приведенной на рис.2.3, - инвертирующий.