Схема однокаскадного транзисторного усилителя
Рассмотрим схему однокаскадного усилителя переменного тока, в которой транзистор включён по схеме с общим эмиттером (ОЭ), которая представлена на рис. 8.2.
Рис. 8.2. Схема однокаскадного усилителя ОЭ
В схеме имеется только один источник питания Ек, от которого питаются цепи коллектора и базы транзистора VT. Нагрузкой цепи коллектора является резистор Rн. Резистор цепи смещения в базе транзистора Rсм устанавливает режим транзистора по постоянному току (ток базы IБ0). Ток коллектора IК0 будет зависеть от коэффициента передачи тока базы транзистора:
.
При этом на коллекторе транзистора установится напряжение
. (8.1)
На вход усилителя поступает сигнал переменного тока uвх = Um×sinwt через конденсатор С, который служит для разделения цепей переменного и постоянного тока на входе усилителя. При таком включении конденсатора С внутреннее сопротивление источника сигнала не влияет на режим транзистора по постоянному току, и постоянное напряжение из цепи базы транзистора не проникает в источник входного сигнала переменного тока.
На выходе усилителя (в цепи коллектора транзистора) на резисторе Rн цепи постоянного и переменного тока не разделены. К резистору Rн одновременно приложено постоянное напряжение и переменное напряжение усиленного сигнала, величина которого зависит от коэффициента усиления схемы по напряжению КU.
Форма выходного сигнала усилителя зависит от амплитуды входного сигнала переменного тока Um и положения рабочей точки по постоянному току. В зависимости от формы выходного сигнала различают стандартные режимы работы, которые называются классами усиления.
Рассмотрим работу усилителя в различных классах усиления. Анализ работы проведём графическим методом с использованием статических характеристик транзистора.
Класс усиления А
В классе усиления А, который также называют линейным усилением без отсечки тока, рабочая точка выбирается из условия , а форма выходного сигнала повторяет форму входного. Проведём анализ работы усилителя ОЭ по схеме на рис. 8.2. На рис. 8.3 представлены статические характеристики транзистора в схеме ОЭ, на которых построена нагрузочная линия.
Рис. 8.3. Графический анализ работы усилителя в классе усиления А
Нагрузочная линия строится на выходных характеристиках по двум точкам: точке холостого хода, в которой UКЭ = ЕК, и точке короткого замыкания, в которой . Допустим ЕК = 12 В, RН = 300 Ом. Тогда максимально возможный ток коллектора IКmax = 40 мА. Нагрузочная линия соединяет эти точки, пересекая линии графиков выходных характеристик.
Выберем рабочую точку ОА, в которой В, IК0 = 20 мА. Перенесём рабочую точку на входную характеристику. Току коллектора IК0 соответствует ток базы IБ0 = 0,4 мА. Пересечение входной характеристики, соответствующей UКЭ = 6 В, с линией тока базы 0,4 мА даёт нам положение рабочей точки на входной характеристике. Чтобы получить выбранную рабочую точку, надо установить в схему усилителя резистор смещения кОм.
Построим теперь график синусоидального напряжения в нагрузке. На выходных характеристиках определим область насыщения, в которой графики характеристик искривляются. Моменту начала искривления характеристик соответствует напряжение на коллекторе UКЭ » 1 В. Следовательно, максимальная амплитуда неискажённого сигнала на выходе может быть Um.вых = 6 - 1 = 5 В. Отложим от оси, проведённой через точку UКЭ = 6 В, амплитуды Um.вых = 5 В вправо и влево. Получим точку UКЭ = 11 В как наибольшее мгновенное значение напряжения на коллекторе в режиме усиления сигнала переменного тока. Перенесём на входную характеристику точки, соответствующие токам базы IБ = 0,8 мА (граница области насыщения) и IБ = 0,05 мА (граница области наибольшего мгновенного значения напряжения на коллекторе). Проведём через эти точки вертикальные линии, между которыми разместится график синусоидального напряжения входного сигнала.
В результате проведённых построений получим Um.вх = 0,05 В, а амплитуды токов на входе Im.вх = 0,28 мА и на выходе Im.вх = 18 мА.
Рассчитаем коэффициенты передачи усилителя:
по напряжению ; по току ;
по мощности КР = КU × КI = 100 × 64,3 = 6430.
Рассчитаем коэффициент полезного действия усилителя ,
где РН – мощность усиливаемого сигнала в нагрузке;
РПОТР – мощность, потребляемая от источника питания.
Мощность усиливаемого сигнала в нагрузке определяется по действующим значениям тока и напряжения, которые меньше амплитудных значений в раз. Определим действующие значения:
В; мА.
Мощность переменного тока в нагрузке
мВт.
Мощность, потребляемая от источника питания:
мВт.
Коэффициент полезного действия или 15,4%.
Если бы для получения амплитуды выходного сигнала можно было использовать всё напряжение источника питания от 0 до ЕК, коэффициент полезного действия усилителя в классе А (теоретический предел) составил бы 22,5%.
Низкое значение коэффициента полезного действия является недостатком усилителя класса А. Главное же его преимущество – усиление сигнала без искажения формы (режим линейного усиления). Поэтому усилители класса А применяются в маломощных каскадах усиления (режим усиления по напряжению) с большой величиной сопротивления нагрузки.
Класс усиления В
В классе усиления В рабочая точка выбирается из условия , то есть напряжение на коллекторе практически равно напряжению источника питания. Усиление происходит с отсечкой тока, угол отсечки составляет Q = 900. Что такое угол отсечки и как определяется его величина, объяснялось в лекции 4. Форма выходного сигнала представляет собой половину периода синусоиды входного сигнала. При переводе усилителя ОЭ по схеме на рис. 8.2 из класса А в класс В схема не изменяется. Изменяется только величина резистора смещения Rсм. Проведём анализ работы усилителя (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Графический анализ работы усилителя в классе усиления В
Выберем рабочую точку ОВ, в которой В, IК0 » 0 мА. Перенесём рабочую точку на входную характеристику. Току коллектора IК0 соответствует ток базы IБ0 < 0,05 мА, практически рабочая точка на входной характеристике располагается на уровне порогового напряжения перехода база-эмиттер. Чтобы получить выбранную рабочую точку, надо установить в схему усилителя резистор смещения кОм.
Построим теперь график синусоидального напряжения в нагрузке. На выходных характеристиках выделим область насыщения, в которой графики характеристик искривляются. Моменту начала искривления характеристик соответствует напряжение на коллекторе UКЭ » 1 В. Следовательно, максимальная амплитуда неискажённого сигнала на выходе может быть Um.вых =12 - 1 = 11 В. Отложим от оси, проведённой через точку UКЭ0 = 12 В, амплитуды Um.вых = 11 В влево. Получим точку UКЭ = 1 В как наименьшее мгновенное значение напряжения на коллекторе в режиме усиления сигнала переменного тока. Перенесём на входную характеристику точку, соответствующую току базы IБ = 0,8 мА (граница области насыщения). Проведём через эту точку первую вертикальную линию. Вторую вертикальную линию проведём симметрично первой относительно линии, проходящей через рабочую точку на входной характеристике. Между первой и второй вертикальными линиями разместится график синусоидального напряжения входного сигнала.
В результате проведённых построений получим Um.вх = 0,21 В, а амплитуды токов на входе Im.вх = 0,68 мА и на выходе Im.вх = 38 мА.
Рассчитаем коэффициенты передачи усилителя:
по напряжению ; по току ;
по мощности КР = КU × КI = 52,4 × 56 = 2934.
Рассчитаем коэффициент полезного действия усилителя.
Определим действующие значения напряжений и токов:
В; мА.
Мощность переменного тока в нагрузке
мВт.
Мощность, потребляемая от источника питания, будет в два раза больше. Во время импульса тока в нагрузке половина мощности рассеивается на транзисторе, поэтому мВт.
Коэффициент полезного действия или 50%, что существенно выше, чем в классе А. Однако выходной сигнал сильно искажается. Для получения полной синусоиды выходного сигнала в нагрузке применяют двухтактную схему усилителя, которая может быть трансформаторной или бестрансформаторной. Трансформаторная схема двухтактного усилителя класса В представлена на рис. 8.5.
Вторичные обмотки трансформатора Т1 включены противофазно, поэтому положительную полуволну синусоиды усиливает транзистор VT1, а отрицательную – VT2.
Рис. 8.5. Трансформаторная схема двухтактного усилителя класса В
В трансформаторе Т2 первичные обмотки трансформатора включены противофазно, поэтому в нём складываются полуволны синусоид, и в нагрузку поступает усиленный синусоидальный сигнал.
Класс усиления С
В классе усиления С рабочая точка выбирается из условия , то есть напряжение на коллекторе равно напряжению источника питания, транзистор закрыт. Для перевода усилителя в класс С необходимо переключить Rсм от источника питания на общий провод (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Схема усилителя ОЭ, работающего в классе С
Усиление происходит с отсечкой тока, угол отсечки составляет Q = 600. Форма выходного сигнала представляет собой одну треть периода синусоиды входного сигнала. Проведём анализ работы усилителя (рис. 8.7).
Выберем рабочую точку ОС, в которой В, IК0 » 0 мА. Рабочая точка на входной характеристике расположена в точке начала координат В, IБ0 » 0 мА.
Проведём построения синусоид входного и выходного сигнала. В результате построений получим Um.вх = 0,63 В, Um.вых = 11 В, амплитуды токов на входе Im.вх = 0,68 мА и на выходе Im.вх = 38 мА.
Рис. 8.7. Графический анализ работы усилителя в классе усиления С
Рассчитаем коэффициенты передачи усилителя:
по напряжению ; по току ;
по мощности КР = КU × КI = 17,5 × 56 = 978.
Коэффициент полезного действия усилителя класса С достигает 97%, однако выходной сигнал сильно искажён. Класс С применяется для усиления сигналов высокой частоты, когда нагрузкой коллекторной цепи служит колебательный контур.
Дата добавления: 2021-12-14; просмотров: 523;