Усилитель напряжения на биполярном транзисторе.

Биполярный транзистор используется в усилителе напряжения, схема которого приведена на рис.5.1 :

Рис. 5.1. Схема усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

Назначение элементов схемы рис.5.1:

VT – биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, управляет током коллектора;

e _вх , R _вт – э.д.с. и внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала – создает входное напряжение усилителя u_вх;

С–конденсатор, соединяет источник сигнала с базой транзистора для изменений напряжения между базой и эмиттером и исключает связь (зависимость состояний) цепи источника сигнала и цепи базы транзистора по постоянному току (значение емкости выбирается из малого падения напряжения на самой низкой частоте сигнала);

R_Б – базовый резистор, сопротивление которого определяет постоянные составляющие тока базы I _Б0 и напряжения U _Б0, т.е. рабочую точку покоя на входной характеристике транзистора;

R_К – коллекторный резистор, с помощью которого создается переменное выходное напряжение (так же влияет на положение рабочей точки на выходных характеристиках- I _К0 и U _К0);

R_Н – нагрузочный резистор (приемник) на котором создается переменное выходное напряжение усилителя u_вых;

С_С–конденсатор, соединяет нагрузку с коллектором на частотах сигнала, исключает связь (зависимость состояния транзистора от R_Н) коллекторной цепи транзистора и цепи нагрузки по постоянному току;

E_К – источник питания транзистора, энергия которого частично преобразуется в энергию усиленного сигнала на нагрузочном резисторе.

Принцип действия усилителя заключается в следующем.

После включения питания усилителя устанавливаются постоянные напряжения и токи всех элементов, включая транзистор (режим по постоянному току, - на графиках точки с индексом 0.

На вход усилителя подается сигнал - переменное напряжение u_ВХ, которое преобразуется в переменную составляющую тока базы. Изменение тока базы вызывают изменение тока коллектора и напряжения на коллекторе. Вследствие этого появляется переменное напряжение на нагрузочном резисторе, т.е. создается выходное напряжение усилителя.

На рис.5.2 рассмотрим передачу сигнала на примере синусоидального входного сигнала.

Рис.5.2. К принципу действия усилителя напряжения на биполярном транзисторе в линейном режиме

Последовательность построения кривых для токов и напряжений на рис.5.2 следующая (см. пунктирные линии):

u_ВХ (t)à u_Б(t)=u_ВХ (t)+U_Б0 à входная ВАХ à

i_Б(t)= i_Б~(t)+I_Б0 à переходная х-каà

i_К(t)= i_К~(t) +I_К0àвыходные ВАХ à

u_К(t)= u_К~(t) +U_К0 à u_ВЫХ(t)

Напряжение на базе несинусоидальное. Оно складывается из постоянной составляющей U_Б0 и переменной составляющей u'_ВХ .

Постоянная составляющая U_Б0 создается источником E_К и резистором R_Б: U_Б0= E_К – R_Б I_Б (U_Б0). Так как обычно U_Б0<< E_К , то I_Б ≈ E_К / R_Б .

Переменная составляющая u'_ВХ ≈ u_ВХ., если внутреннее сопротивление источника сигнала достаточное мало (см. ниже).

Напряжение на базе определяет ток базы через входную характеристику транзистора. Далее через переходную характеристику определяется ток коллектора.

Переходная характеристика I_К(U_К, I_Б) найдена следующим образом. Состояние цепи коллектора определяется нелинейным уравнением

U_к=E_к– R_к·I_К(U_К, I_Б), которое решается графическим способом как точка пересечения соответствующей выходной характеристики и прямой линии нагрузки, отсекающей на осях отрезки E_к и E_к / R_к .

При изменениях тока базы эта точка пересечения («рабочая точка”) перемещается по линии нагрузки в зависимости от тока базы. Задавая значения тока базы и определяя соответствующие значения тока коллектора, можно построить переходную характеристику. Эта переходная характеристика имеет участок насыщения при больших токах базы, поэтому она называется динамической.

Имея переходную характеристику, можно построить кривую тока коллектора. Далее по кривой тока коллектора через линию нагрузки строится крива напряжения на коллекторе. Последовательность построения показана на рис. 5.2. стрелками.

Напряжение на нагрузочном резисторе практически равно переменной составляющей напряжения на коллекторе. Из рис.5.2 видно, что амплитуда напряжения на нагрузке 3.7В при амплитуде напряжения источника 0.05. Коэффициент усиления по напряжению K_U=U_ВЫХ,m/ U_ВХ,m=74.

Заметим, что разность начальных фаз выходного и входного напряжений составляет 180°, т.е. напряжения противофазны.

Если ставится задача максимального использования возможностей усилительного каскада, то:

1). I_Б0 и U_Б0 - выбирают по максимальной амплитуде входного сигнала U_m от нижнего края линейного участка входной характеристики (точка А) U_Б0= U_БА+ U_m, сопротивление базового резистора при этом R_Б =(E_К-U_Б0)/ I_Б0 .

2). На выходной характеристике I_К(U_К) для I_Б =I_Б0 выбирают рабочую точку по постоянным составляющим напряжения на коллекторе и тока коллектора. Эта рабочая точка покоя должна быть ниже максимальной мощности коллектора P_K,макс>> U_К0 I_К0. Так определяют значения U_К0 и I_{К0 .} Если сопротивление коллекторного резистора R_К выбирается таким образом, чтобы отрезки линии нагрузки от этой рабочей точки покоя до крайних рабочих точек были симметричны, то E_k= U_К0 + I_К0 R_К.

Зависимости входного и выходного сигналов, токов транзистора, полученные на динамической модели, показаны на рис. 5.3, 5.4, 5.5, 5.6

Рис.5.3. Оптимальный режим усилителя. Нелинейные искажения не превышают 5%. Мощность транзистора не превышает допустимой.

Рис. 5.4. Режим больших нелинейных искажений при малом сопротивлении базового резистора.

Рис.5.5. Режим больших нелинейных искажений при большом сопротивлении базового резистора.

Таким образом, большие нелинейные искажения возникают в тех случаях, когда рабочая точка достигает крайних (верхней или нижней) точек на линии.

На рис.5.6, 5.7 приведены демонстрация усилителя напряжения (EWB3, demo5_1).

Рис. 5.6. demo5_1.Входное и выходное напряжения для усилительного каскада в линейном режиме (U_вх,m = 1мВ).

Для исследования свойств усилительного каскада на вход усилителя подается синусоидальный сигнал от генератора сигнала. В генераторе выбираются форма (синусоидальная), частота (1кГц) и амплитуда(1мВ) сигнала. С помощью двухлучевого осциллографа исследуется форма входного (по каналу А) и выходного (по каналу В) напряжений. На осциллографе подбирается по горизонтали масштаб развертки во времени в зависимости от частоты сигнала и по вертикали удобные масштабы графиков (В/деление). Масштабы для графиков позволяют определить амплитуды, коэффициент усиления, разность фаз выходного и входного напряжений.

Рис. 5.7.demo5_1. Входное и выходное напряжения для усилительного каскада в нелинейном режиме (U_вх,m = 100мВ).

На рис.5.7. видно, что увеличение амплитуды входного напряжения до 100 мВ приводит к искажениям формы выходного напряжения, которые называются нелинейным. Коэффициенты усиления по напряжению при входных напряжениях 1мВ и 100мВ, соответственно, равны 320 и 50.