Расчёт основных параметров в режиме усиления.

Работаем по схеме рис.5.7. (или по схеме рис.5.10)

Определяем параметры усиления по полученным построениям:

Коэффициент усиления по напряжению

Внимание. Стоит обратить внимание на форму переменного напряжения U_бэ на входе усилителя (Рис.5.13): форма сильно искажена, несмотря на то, что на вход был подан сигнал синусоидальной формы (u_вх=U _{вх.макс}sinwt). Это ещё раз подтверждает тот факт, что входное сопротивление транзистора носит нелинейный характер (вспомним входную ВАХ транзистора).

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности

Полезная мощность, выделенная на нагрузке

Внимание. Проверим правильность выполненных построений.

Полученные графики должны отражать:

· значение базового тока покоя на входной и выходной ВАХ должны соответствовать одному и тому же значению (I_бп = 0,3 мА);

· амплитудное значение базового тока на входной ВАХ должно соответствовать заданному значению на выходной ВАХ (I_б.макс = 0,3 мА);

· факт усиления напряжения и тока;

· факт инверсии входного сигнала на выходе (изменение фазы).

5.3.3. Расчёт схемы усилителя по схеме рис.5.8 в активном режиме.

Расчёт схемы усилителя на рис.5.8 ведётся аналогично расчётам, проделанным для схемы на рис.5.7. Отметим лишь некоторые особенности этой схемы. Для этого представим схему усилителя в режиме покоя (рис.5.14).

В схеме усилителя используется другой метод подачи напряжения смещения ─ метод фиксированного напряжения (через делитель напряжения из резисторов R_б1 и R_б2). Кроме того, схема содержит элемент термостабилизации положения РТ на ВАХ (R_э). Дело в том, что при изменении температуры режим транзистора может измениться (о температурных свойствах транзистора подробно было сказано в лекции 2) . Следовательно, важно не просто задать РТ на ВАХ, но надо еще и обеспечить ей температурную стабильность.

Уравнение транзистора в рабочем режиме для схемы на рис.5.14

(5.4)

Нагрузочная характеристика строится и обрабатывается по тем же правилам, что и для схемы рис.5.12, поэтому для схемы на рис.5.14 строить её не будем: за счёт резистора термостабилизации R_э нагрузочная будет иметь несколько другой наклон.

Проведём чисто аналитически расчёт только режимных элементов для схемы на рис. 5.14.

Рассчитаем сопротивление резистора R_б1.

Токи, протекающие через R_б1,- это сумма токов делителя и базы покоя
(I_д и I_бп). Эти токи должны быть взаимно независимыми, поэтому ток делителя берется значительно больше, чем ток базы покоя:

В мощных каскадах усиления ток делителя берется больше тока базы покоя в 3¸5 раз, а в маломощных усилителях ─ в 5¸10 раз.

(5.5)

Напряжение U_б2 на резисторе R_б2 (см. схему замещения входной цепи усилителя на рис.5.16)

(5.6)

За счет большого тока делителя напряжение U_б2 на резисторе R_б2будет практически фиксированным (поэтому такой метод подачи напряжения смещения назван методом фиксированного напряжения).

Рассчитаем сопротивление резистора R_б2.

(5.7)

Падение напряжения на резистореR_э ─ это напряжение термостабилизации. Обозначим его через U_эп = I_эп R_э.

Рис. 5.14. Схема усилителя в режиме покоя с автосмещением и термрстабилизацией РТ

Рис.5.15 Входная ВАХ транзистора при разных температурах Рис.5.16 Схема замещения входной цепи усилителя в режима покоя

Таким образом, при изменении температуры изменяется лишь напряжение U_эп. Это напряжение автоматически изменяет смещение на базе, возвращая РТ в заданное ранее положение на ВАХ.

Примечание. Если в процессе расчётов значение U_эпне оговорено и нет возможности применить какой-то другой метод при его расчёте, например, то допускается взять U_эп ≈ (0,2 …0,3)Е_к.

─ в активном режиме.

Сущность процесса термостабилизации РТ на ВАХ

Вернёмся к рис.5.15. При изменении температуры с 20⁰С до 50⁰С входная ВАХ сместилась влево (объяснение этому есть в разделе «Полупроводниковые диоды», лекция 1), ток базы увеличился (РТ сместилась в точку «а»). Ток коллектора, связанный с током базы через «h₂₁», тоже увеличивается, и, таким образом, увеличение температуры изменило режим транзистора и выходные показатели усилителя. Чтобы ток базы, а, следовательно, и ток коллектора приняли прежнее значение, необходимо уменьшить напряжение смещения на базе (с 0,6 В до 0,5 В на рис.5.15).

Воспользуемся схемой усилителя на рис.5.14, когда генератор усиливаемого сигнала отключен. Назовём напряжение U_эп напряжением отрицательной обратной связи (ООС),так как по отношению к напряжению на резистореR_б2оно включено последовательно и встречно (рис.5.16).

При увеличении токов базы, коллектора и сквозного тока I_кэоувеличивается постоянная составляющая тока в цепи эмиттера I_эп, при этом увеличивается и падение напряжения U_эпна резисторе R_э. Следовательно, напряжение на базе уменьшается, ток базы уменьшается до требуемого значения, и ток коллектора тоже уменьшается. РТ перемещается в заданное ранее положение на ВАХ (в точку «б»). Таким образом, напряжение на R_эизменяется пропорционально току коллектора, следовательно, в схеме усилителя действует ООС по току, которая и обеспечивает температурную стабилизацию РТ. Такой способ стабилизации положения РТ на ВАХ получил название эмиттерной стабилизации.

Определяем сопротивление резистора в цепи эмиттера R_э

где - постоянная составляющая тока эмиттера.

Определяем сопротивление резистора R_к в цепи коллектора

Определяем параметры усиления:

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Полезная мощность, выделенная в нагрузке

5.3.4. Схема эмиттерного повторителя (рис.5 17).

Рис.5.17

Рис.5.18

На рис.5.18. приведена часть схемы эмиттерного повторителя (ЭП), которая включает в себя входную и выходную цепи.

По этой схеме видно, что входное напряжение «е_вх» распределяется между входным сопротивлением транзистора и сопротивлением нагрузки. Таким образом, усиления напряжения в схеме ЭП нет (К_u ≈ 0,95). Выведем формулу для коэффициента передачи по напряжению в ЭП

(рис.5.8)

Выходным током является эмиттерный ток, а входным ─ ток базы. Следовательно, схему ЭП можно использовать в качестве усилителя мощности за счёт усиления по току. Но это не единственный случай использования схемы ЭП. Включение нагрузки в цепь эмиттера обеспечивает в схеме 100% ООС по переменному напряжению, за счёт которой схема ЭП имеет очень большое входное сопротивление. Имея большое входное и малое выходное сопротивления, схема ЭП широко используется для согласования высокоомной нагрузки с низкоомной, например, во входных цепях измерительных вольтметров, осциллографов. Также, для создания низкого выходного сопротивления в ЭСЛ-логике, на выходе включаются ЭП.

5.3.5. Схема усилителя на транзисторе с ОБ (рис.5.19)

Рис. 5.19. Схема УЗЧ с ОБ с автосмещением через гасящий резистор

Смещение на базу подано методом фиксированного тока (через резистор R_б1). Расчёт этого элемента ведём по формуле (5.3).

Особенности схемы усилителя:

· схема не усиливает по току

·

· схема хорошо усиливает по напряжению, поэтому её можно использовать в качестве усилителя мощности.

· схема имеет хорошие температурные и частотные свойства.

· у схемы усилителя плохие согласующие свойства, так как выходное сопротивление гораздо больше входного.