Графический анализ процесса усиления электрического сигнала

На биполярном транзисторе

 

Самый распространенный процесс в электронике – это усиление электрических сигналов. Принцип усиления заключается в том, что с помощью маломощного источника входного сигнала производится управление мощным источником энергии, источником питания.

Рассмотрим пример реализации этого принципа на транзисторе, который включен по схеме с общим эмиттером (рис.15).

Рис.15. Схема усилителя на транзисторе с ОЭ

 

В этой схеме:

- источник коллекторного питания - это достаточно мощный источник, энергия которого используется в процессе усиления;

- сопротивление коллекторной нагрузки, служит для преобразования изменения тока в цепи коллектора в изменение напряжения на коллекторе;

- напряжение смещения – это постоянное напряжение, которое подключено к эмиттерному переходу в прямом направлении и поддерживает переход в открытом состоянии;

- источник входного сигнала, который достаточно часто имеет синусоидальную форму .

Графический анализ процесса усиления часто разбивается на два этапа:

первый – статический режим, в схеме действуют только постоянные напряжения =0 Такой режим также называют режимом покоя, в этом режиме определяют постоянные составляющие напряжений и токов. Второй - динамический ≠0, в этом режиме определяют переменные составляющие напряжений и токов.

Режим покоя. На входной характеристике (рис.16) откладывают напряжение смещения , оно задает напряжения база-эмиттер покоя и рабочей точки , и находят ток базы покоя

 

Рис.16. К графическому определению входных токов и напряжений

 

Для нахождения и на выходных характеристиках строят нагрузочную прямую, отображающую свойства резистора .

Как следует из схемы (рис.15), можно составить уравнение

,

и привести его к виду

.

Последнее выражение называют уравнением нагрузочной прямой, её строят в семействе выходных характеристик (рис.17) по двум точкам.

Рис.17. К графическому определению выходных токов и напряжений

 

В точке , ; в точке , .

Пересечение нагрузочной прямой со статическими характеристиками дает множество решений, выбираем одно из них, соответствующее, найденному ранее току покоя . Режим покоя, таким образом, определяется координатами точки , которая называется точкой покоя. Точка покоя обычно выбирается в середине участка .

Динамический режим. Пусть на базу относительно эмиттера подается переменное напряжение синусоидальной формы с амплитудой (рис.7), изменяющее положение рабочей точки. При положительной полуволне синусоидального напряжения рабочая точка по входной характеристике сдвигается вверх, к максимуму напряжения; при отрицательной полуволне рабочая точка сдвигается вниз, к минимуму напряжения. В результате ток базы изменяется с амплитудой . Изменение тока базы вызывает изменение положения рабочей точки на выходных характеристиках. При положительной полуволне входного напряжения она сдвигается вверх, а при отрицательной полуволне - сдвигается вниз. При этом, ток коллектора изменяется с амплитудой , а напряжение - с амплитудой , причем напряжение на коллекторе находится в противофазе с напряжением на базе. Если амплитуда входного сигнала такова, что колебания рабочей точки не выходят за пределы рабочего участка , то связь между переменными составляющими токов и напряжений линейна. Такой режим называют линейным или режимом класса А.

Определив с помощью графических построений амплитуды входных и выходных сигналов, можно рассчитать основные параметры усилителя:

коэффициент усиления по напряжению ,

коэффициент усиления по току ,

коэффициент усиления по мощности ,

входное сопротивление транзистора ,

выходное сопротивление ,

коэффициент полезного действия ,

где - мощность потребляемая от источника питания.

Из проведенного анализа следует, что 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. В пределе , , следовательно, . Поэтому рассмотренный режим класса А применяют, в основном, в маломощных усилителях, где потери мощности, расходуемой на нагрев транзистора и резистора , невелики. В мощных усилителях применяют иные режимы работы транзистора и более сложные схемы, обеспечивающие получение более высокого КПД.