2.3.3. Характеристики транзисторного усилителя

Характеристики усилителя отображают его способ­ность усиливать

р азличной частоты и формы. К важнейшим харак­теристикам относятся амплитудная, амплитудно-частот­ная, фазочастотная и переходная. Амплитудная характеристика U_ВЫХ=φ(U_ВХ) представляет собой зависимость ампли­туды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной час­тоты (рис.2.12, а). Входной сигнал изменя­ется от минимального до максимального значения, при­чем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех U_П, создаваемых самим уси­лителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна ампли­туде входного (U_ВЫХ=КU_ВХ), и амплитудная характерис­тика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика от­личается от прямой (рис.2.12, а).

Рис.2.12. Амплитудная характеристика усилителя (а), АЧХ и ФЧХ усилителя (б)

На рис.2.12, б приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя К() и ().

Область частот, где коэффициент усиления не зависит от частоты (постоянен), называется областью средних частот. Слева и справа от области средних частот располагаются области низших и высших частот.

За рабочую область частот (полосу пропускания) обычно принято считать область, в которой выходная мощность Р_вых снижается не больше, чем в 2 раза. Следовательно, полоса пропускания — это область, где коэффициент усиления уменьшается не более, чем в от Км — максимального на средних частотах.

Частоты _Н и _В, на которых коэффициент усиления уменьшается в раз, называются соответственно нижней и верхней граничными частотами. Следовательно, ширина полосы пропускания =_в-_н, f=f_в-f_н. Усилители, у которых _в>>_н, получили название широкополосных, а усилители, у которых - избирательных или узкополосных.

Вначале рассматривается область низких частот и находятся количественные соотношения, учитывающие влияние разделительных конденсаторов на коэффициент усиления. Опережение фазы выходного напряжения по отношению к входному в области низких частот связано с тем, что ток в цепях связи из-за большого Хс имеет емкостный, опережающий характер, что делает опережающим выходное напряжение. В области высоких частот завал амплитудно-частотной характеристики у транзисторных усилителей обусловлен в основном инерционностью транзистора, т.е. тем, что ток коллектора не успевает следовать за изменением тока базы. Причин инерционности две: наличие в транзисторе паразитных емкостей и зависимость коэффициента передачи по току от частоты. Паразитными емкостями в транзисторе являются емкости эмиттерного и коллекторного переходов С_Э и С_К.

При увеличении Uвх растет Iб, увеличивается Iк, а выходное напряжение Uвых=Eк-IкRк уменьшается. При малых Uвх (участок I на рис.2.13, а) ток Iк и напряжение Uвых изменяются слабо из-за малой величины входного тока Iб в связи с большим входным сопротивлением транзистора при малых U_БЭ.

Рис.2.13. Передаточная характеристика усилителя

Участок II характеризуется значительными приращениями выходного напряжения при малых приращениях входного. Это участок активной работы транзистора, когда малому приращению входного напряжения Uвх (например, 0,005 В) соответствует большое приращение выходного напряжения Uвых (например, 0,5 В). Это участок работы на линейной части входных и выходных характеристик в области точки 1 на рис.2.13, б.

На участке III выходное напряжение и ток коллектора не изменяются Uвых=Uкэн, так как транзистор полностью открыт и насыщен (этому участку соответствует область около точки 3 на рис.2.13, б).

Усилитель низкой частоты (рис.2.14, а) состоит из транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, резисторов и , задающих транзистору режим по постоянному току, и разделительных конденсаторов и .

Рис.2.14. Каскад с общим эмиттером: с зависимым смещением (а); с обратной связью по постоянному току (б)

При поступлении входного переменного сигнала U_ВХ ток базы будет изменяться. При положительной полуволне входного напряжения (плюс на базу, минус на эмиттер) эмиттерный переход будет дополнительно отпираться, и ток базы будет увеличиваться. Ток коллектора увеличится, а его потенциал станет менее положительным. При отрицательной полуволне Uвх транзистор, наоборот, будет призапираться, коллектор станет более положительным. В токе базы I_Б= I_БП+I_Б появится переменная составляющая i_б, которая, будучи усилена транзистором, приведет к появлению переменной составляющей i_к в токе коллектора I_K= I_KП+I_K и переменной составляющей u_к в напряжении на коллекторе U_K= U_KП+U_K, т. е. к появлению выходного напряжения U_ВЫХ=U_K

На рис.2.15 показано построение переменных составляющих тока и напряжения в цепи коллектора. Жирной линией обозначена траектория движения рабочей точки по линии нагрузки.

Для стабилизации режима покоя широко применяют обратные связи. На рис.2.14, б приведен каскад с общим эмиттером и с обратной связью по постоянному току.

При повышении температуры (либо увеличения  при смене транзистора) увеличиваются ток коллектора и ток эмиттера. Так как потенциал эмиттера _э из-за увеличения напряже­ния I_Э R_Э становится более положительным, то это приводит к уменьшению напряжения U_БЭП=_Б-_Э, снижению тока базы и прикрыванию транзистора.

Рис.2.15. Графическое определение режима покоя каскада ОЭ на коллекторных характеристиках транзистора

Анализ каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений (рис.2.15). На этой характеристике проводят так называемую линию нагрузки по постоянному току. Линию нагрузки каскада по постоянному току проводят по двум точкам: характеризующим режим холостого хода и короткого замыкания выходной цепи каскада.

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока транзистора используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи транзистора равно нулю, так как резистор R_Э шунтируется конденсатором С_Э , а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора С_Р2 по переменному току мало. Т.к. сопротивление Е_К по переменному току также близко к нулю:

Чтобы увеличить коэффициенты усиления каскада, величину R_К выбирают в 3–5 раз больше R_Н . По выбранному току коллектора покоя находят ток базы покоя:

Ток эмиттера покоя связан с токами I_бп и I_кп соотношением:

U_ЭП выбирают равной (0,1÷0,3) E_К , тогда:

Соотношение для расчета сопротивлений R₁ и R₂ получаем из схемы рис.2.12:

,

Тип транзистора выбирают с учетом частотного диапазона работы каскада, а также параметров по току, напряжению и мощности.