Рис. 1
Если транзистор работает при больших входных сигналах (например, в оконечном каскаде усилителя низкой частоты), то для учета нелинейности характеристик транзистора применяют графический метод расчета. Этот случай и исследуется в настоящей работе.
Основные показатели усилителя определяются по входной и выходной динамическим характеристикам. Для получения выходной и входной динамической характеристики следует на семейство статических характеристик (рис 2,б) нанести нагрузочную характеристику. Уравнение нагрузочной характеристики определяется по закону Кирхгофа для замкнутой цепи коллектора с нагрузочным сопротивлением и источником электродвижущей силы.
Uкэ = Eк – Iк Rн
Это уравнение прямой, которую можно построить на семействе статических характеристик по двум точкам: точке А, соответствующей режиму холостого хода выходной цепи при Iк =0, Uкэ = Eк, и в точке В, соответствующей короткому замыканию цепи коллектора Uкэ =0, Iк = Eк / Rн.
Геометрическое место точек пересечения нагрузочной характеристики со статическими характеристиками (точки 1, 2, 3, 4, 5) дает выходную динамическую характеристику транзистора.
Участок 1-5 динамической характеристики, для которого изменения тока коллектора Iк пропорциональны изменениям тока базы Iб, является рабочим для схемы усилителя. Снизу рабочая область ограничена областью отсечки, когда Iб = 0. Сверху – областью насыщения транзистора, когда коллекторный переход смещается в прямом направлении и ток Iк перестает изменяться.
Входная динамическая характеристика представляет зависимость Iб=f (Uбэ) при Rн = const. Она строится путем перенесения точек 1, 2, 3, 4 и 5 с выходной динамической характеристики на семейство входных статических характеристик (рис. 2,а). Для каждой из перечисленных точек определяют значения тока баы Iб и напряжения на коллекторе Uкэ. Отмечают эти значения на входных статических характеристиках и соединяют точки плавной кривой. На рис 2,а она изображена штриховой линией.
Обычно входные статические характеристики, снятые при различных коллекторных напряжениях, расположены очень близко друг к другу. Поэтому приближенные расчеты производят без построения входной динамической характеристики по одной из статических кривых. На рис 2,а видно, что входная динамическая характеристика не линейна. Это является одной из причин искажения усиливаемого сигнала.
Для получения от усилителя максимальной выходной мощности в схеме нужно обеспечивать максимальные амплитуды тока коллектора Ikm и амплитуды напряжений на коллекторе транзистора Ukm и на нагрузке Uнm при условии отсутствия искажений формы сигнала. С этой целью исходное значение тока коллектора при отсутствии сигнала на входе (рабочую точку) выбирают на середине участка 1–5 динамической характеристики (рис.2,б точка 3). Рабочая точка во входной цепи транзистора соответствует значению тока базы Iб = Iб3. Для этого в цепь база-эмиттер необходимо подать постоянное напряжение источника питания Ебэ. При подаче на вход сигнала, изменяющегося по гармоническому закону, для неискаженного усиления наибольшие изменения тока базы возможны от Iб3 до Iб5 и от Iб3 до Iб1. При этом, амплитуды напряжени на базе Uбm1 и Uбm2, амплитуды тока коллектора Ikm1 и Ikm2, а также амплитуды напряжений на коллекторе U km1 и U km2 не равны друг другу. Это объясняется нелинейностью характеристик транзистора.
По входным и выходным динамическим характеристикам можно определить следующие показатели усилителя:
- постоянные напряжение и ток базы при отсутствии входного сигнала, определяющие исходное положение рабочей точки на входной и выходной динамических характеристиках Uб3 и I б3;
- постоянную составляющую тока коллектора Ik3;
- постоянные напряжения на коллекторе и нагрузке Uk3 и Uн3;
- мощность рассеивания на коллекторе P к3 = Iк3 •U к3;
- амплитуду переменного входного напряжения Uбm;
- амплитуду базового тока транзистора, которая определяется средним значение между Iбm1 и Iбm2;
- среднее значение входного сопротивления Rвх = Uбm /Iбm;
- входную мощность сигнала Pвх = 0,5 IбmUбm;
- амплитуду переменной составляющей тока коллектора Ikm;
- амплитуду переменных напряжений на коллекторе U km и U нm нагрузке;
- выходную мощность сигнала Pвых = 0,5I km U km.
Поскольку из-за нелинейности характеристик транзистора его усилительные свойства для положительного и отрицательного полупериода сигналов не одинаковы, то они оцениваются при помощи средних коэффициентов усиления:
- по току
Ki = 2I km /2Iбm
- по напряжению
Ku = 2U km /2Uбm
- по мощности
Kp = 0,5I km U km /0,5IбmUбm = Ki • Ku
Литература: Ф.Я.Либерман «Электроника на железнодорожном транспорте» М. Транспорт, 1987г.
МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Кафедра «Радиотехника»
Членожопова Ефроксия Меркурьевна