Работа биполярного транзистора в усилительном режиме

Процесс усиления сигнала удобно рассмотреть на примере простейшего усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ (рис). При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах в его входную цепь поступает сигнал, например, переменное напряжение. Под действием входного переменного напряжения изменяются входной и выходной токи транзистора. Для выделения полезного сигнала в коллекторную цепь транзистора включается элемент нагрузки. В простейшем случае нагрузкой может служить резистор R_К. На резисторе нагрузки за счет прохождения выходного тока выделяется, кроме постоянного, переменное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит от амплитуды переменной составляющей выходного тока и сопротивления резистора R_К и может быть больше входного напряжения.

В цепь базы включены источник напряжения смещения U_СМ, которое обеспечивает положение рабочей точки. Источник U_Бm- источник сигнала. Коллекторная цепь состоит из резистора R_К и источника питания U_П. В качестве выходного сигнала используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки R_К (на коллекторе транзистора).

Рис. а) Упрощенная схема усилителя на БТ, б-д) временные диаграммы усилителя.

Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис..б-д).

При U_Бm =0 постоянные токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (I_{Б 0,} I_{К 0}) и напряжением на коллекторе U_К0= U_П - I_{К 0} × R_К

Во время положительного полупериода входного напряжения (рис. 3.14, б) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается, что вызывает рост тока базы и соответственно тока коллектора (рис. 3.14, в, г) и уменьшение напряжения U_КЭ за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении коллектора (рис. 3.14, д). Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленное переменной составляющей коллекторного тока, оказывается инвертируемым относительно входного. При соответствующем выборе сопротивления нагрузки R_К амплитуда переменного напряжения на выходе такого усилителя U_{К m}=I_Кm∙R_К может значительно превышать амплитуду входного напряжения. В этом случае происходит усиление сигнала.

Коэффициент передачи усилителя по напряжению определяется, как

Имея систему h-параметров БТ (1) и (2) и зависимость коллекторного напряжения от его тока и сопротивления нагрузки (3)

(Знак – в уравнении (3) означает, что при увеличении тока коллектора напряжение U_КЭ снижается).

Из уравнений (1) и (3) получаем

Учитывая, что I_К /I_Б=h_21Э получим

И т.к.

Получаем (4)

Знак минус означает, что сигнал на выходе инвертирован относительно входного.

h-параметры для определения К_U должны соответствовать рабочей точке на характеристиках транзистора.

Рабочая точка на выходных характеристиках БТ определяется следующим образом.

Напряжение питания усилителя распределяется на БТ и сопротивлении нагрузки.

Отсюда

Рабочую точку можно найти из решения системы уравнений

Однако аналитически это сложная процедура.

Графическое решение уравнений выглядит следующим образом (рис.)

Уравнение (1) – это выходные характеристики БТ. Уравнение (2) – прямая, пересекающая оси координат: ось абсцисс в точке U_КЭ=U_П, ось ординат I_К= U_П/R_К (на рис. U_П=15 В, U_П/R_К=30 мА). Имеет название – нагрузочная прямая.

Положение рабочей точки определяется пересечением нагрузочной прямой с соответствующей характеристикой тока базы (при токе базы I_Б=100 мкА это точка 1, при токе I_Б=200 мкА – точка 2 и т.д.) Если соответствующая характеристика отсутствует, её надо достроить, например, I_Б=350 мкА – точка 6)

а) б)

Рис

На входных характеристиках (рис.) это также соответственно точки 1, 2 и 3. Например, для точки 2 напряжение смещения будет равно 0,8 В.

Очевидно, что максимальное напряжение на выходе усилителя получится, когда напряжение U_КЭ равно половине напряжения питания (рабочая точка 1 на рис.) Если рабочая точка смещена (точка 2), то сигнал на выходе усилителя будет ограничен или значительно меньшей амплитуды без ограничения. Что можно рекомендовать для усиления сигналов с малой амплитудой, т.к. при этом усилитель потребляет меньший ток.

Рис

Выше рассмотренная схема неудобна в реализации, т.к. требует два источника питания (U_П и U_СМ). На рис. приведена реальная схема усилителя на БТ. Здесь резистор R_Б задает ток базы, т.е. рабочую точку. Его величина равна

Т.к. обычно U_П >>U_БЭ, то R_Б≈U_П/I_Б.

Рис.

Конденсаторы С1 и С2 – разделительные. С1 не пропускает постоянную составляющую от источника сигнала и, таким образом, ток базы и рабочая точка БТ определяется только постоянным током, протекающим через R_Б. С2 не пропускает постоянную составляющую тока через сопротивление внешней нагрузки R_Н.

При подключении нагрузочного резистора R_Н при определении К_U в формулу (4) вместо R_К надо подставить эквивалентное сопротивление нагрузки R_НЭ, которое состоит из параллельного включения R_К и R_Н.

Очевидно, что реактивные элементы и транзистор влияют на АЧХ усилителя.

Эквивалентная схема входной цепи представлена на рис.

Рис

Т.к. R_Б в сотни раз превосходит величину h_11Э, то сопротивлением этого резистора можно пренебречь. И тогда модуль коэффициента передачи входной цепи на нижних частотах будет составлять

Отсюда видно, что разделительная ёмкость влияет на нижних частотах. С понижением частоты коэффициент передачи снижается. С увеличением ёмкости характеристика сдвигается влево (кривые 1 и 2 на рис.).

Относительный коэффициент передачи Y_НЧ

При заданных искажениях на низких частотах Y_НЧ можно определить величину разделительной ёмкости

Очевидно, что и разделительная ёмкость С₂ так же будет влиять на нижних частотах. Только h_11Э надо заменить сопротивлением нагрузки, выходное сопротивление источника будет равно выходному сопротивлению усилителя R_И≈R_К, а ёмкость С₁ заменить на С₂.

Рис.

На верхних частотах при активной нагрузке в основном влияют частотные параметры транзистора (кривая 4). Ёмкость нагрузки С_Н также ограничивает полосу пропускания в области верхних частот (кривая 3).

Тогда коэффициент передачи на верхних частотах при условии, что предельная частота транзистора больше, чем верхняя частота полосы пропускания ω_h21Э>>ω_В, можно вычислить по формуле

Для ограничения полосы пропускания в области верхних частот можно поставить корректирующую ёмкость С_К параллельно резистору R_К или R_Н.

Если необходимо подобрать корректирующую ёмкость С_К при заданной величине Y_ВЧ, то её величина определяется по формуле

Дата добавления: 2015-07-16