Анализ работы транзисторного усилителя.

Для анализа усилителей, представляющих собой нелинейные цепи, содержащие управляемые НЭ (транзисторы), широко применяют графический метод.

Одним из наиболее распространенных типов усилителей, которые применяются в современных устройствах РЭА и промышленной электронике, является усилитель напряжения с резистивной нагрузкой и конденсаторной связью, выполненный по схеме с ОЭ (рис. 1.а). Такой усилитель имеет достаточно простую схему. Кроме того, его параметры и характеристики могут удовлетворять широкому кругу требований, предъявляемых к усилителю напряжения. Усилители напряжения данного типа, работающие, как правило, в линейном режиме, используются для усиления видеосигналов в достаточно большом диапазоне частот (от десятков герц до десятков мегагерц). Режим работы транзистора с нагрузкой называют динамическим. В таком режиме напряжения и токи на электродах транзистора непрерывно изменяются. В этом случае токи, возникающие в транзисторе, состоят из постоянных составляющих, определяемых режимом покоя, и переменных, обусловленных переменным входным сигналом.

Поскольку транзистор работает с входным током, необходимо пользоваться двумя динамическими характеристиками: входной и выходной. Динамические характеристики строят на семействе статических характеристик при заданных значениях напряжения источника питания коллекторной цепи Е_к и сопротивления нагрузки R_н = R_к. Для построения выходной динамической характеристики используют уравнение динамического режима:

которое представляет собой уравнение прямой. Если то и при Отложив на соответствующих осях напряжение, равное и ток, равный через полученные точки проводят прямую, называемую нагрузочной прямой. Выходная динамическая характеристика (рис.1,г) является геометрическим местом точек пересечения нагрузочной прямой со статистическими характеристиками. Используя динамическую коллекторную характеристику, можно для любого значения коллекторного тока найти соответствующие значения напряжения на коллекторе и тока во входной цепи , которые являются взаимосвязанными.

Если рабочими участками усилительного каскада являются линейные участки входных и выходных ВАХ, то считают, что транзистор в усилительном каскаде работает в линейном режиме. При этом синусоидальный сигнал, подаваемый на вход усилительного каскада, практически не искажается на его выходе. Действительно, если точку покоя П выбрать на середине отрезка АВ нагрузочной прямой, то при синусоидально изменяющемся токе сигнала можно обеспечить максимальное изменение (от режима насыщения до режима отсечки) переменной составляющей коллекторного тока (увеличенного в раз) практически без существенного искажения синусоидальной формы.

Рабочая точка П соответствует току , имеющему среднее значение по отношению к токам базы в точках А. и В. Рабочая точка П определяет значение тока I_кп и напряжения U_кэп в режиме покоя. По этим величинам можно найти мощность Р, рассеиваемую в транзисторе, которая не должна превышать максимально допустимую величину , являющуюся одним из параметров транзистора,

Проекции рабочего участка на оси координат определяют двойные величины амплитуд переменных составляющих выходного тока и выходного напряжения (и ). После этого можно найти выходную мощность:

Если имеется семейство входных статических характеристик транзистора при , то можно построить входную динамическую характеристику путём перенесения по точкам в это семейство выходной динамической характеристики. Поскольку входные характеристики для различных расположены очень близко друг к другу, то и динамическая характеристика мало отличается от статических характеристик. Поэтому расчёт входных токов и напряжений можно приближённо делать по статической входной характеристике для U_кэ>0. На эту кривую переносятся точки А, П и В выходной динамической характеристики и получаются соответственно точки А₁, П₁и В₁ (рис.1,б). Проекция рабочего участка А₁В₁ на ось напряжения выражает двойную амплитуду входного напряжения . Зная величины I_бm, и U_бэm, можно рассчитать входное сопротивление R_вх и входную мощность усилителя Р₁ по формулам:

Рабочая точка П₁ определяет примерную величину постоянного смещения на базе U_бэп.

Теперь можно найти также коэффициенты усиления усилительного каскада по току, напряжению и мощности:

Как видно из рис.1, входное напряжение U_бэ изменяется прямо пропорционально изменению входного тока i_б, совпадая с ним по фазе. Аналогично, коллекторный ток i_к, повторяющий полностью форму входного сигнала, совпадает с ним по фазе. В то же время выходное напряжение на коллекторе U_кэ изменяется в противофазе с входным током i_б, т.е. сдвинуть относительно его на 180⁰, а следовательно, U_кэ изменяется в противофазе по отношению к входному напряжению U_бэ. Изменяя значения сопротивления R_к, а следовательно, и угол наклона его ВАХ, можно менять амплитуду усиленного сигнала на выходе усилителя, что соответствует изменению его коэффициента усиления.

Рассмотренные построения динамических характеристик и расчёты с их помощью могут быть сделаны аналогично также и для других схем включения и в других системах координат.

При всех расчётах динамического режима транзисторов следует помнить, что получение большой выходной мощности ограничивается радом факторов. Нельзя превышать максимально допустимые значения тока коллектора, напряжения на нём и мощности, рассеиваемой в транзисторе.