ТОЧКА ПОКОЯ. НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ

Условием совпадения формы переменной составляющей тока с формой поданного на вход УЭ управляющего напряжения является линейная зависимость между ними, графически выраженной прямой. Статические характеристики биполярных и полевых транзисторов, как и электронных ламп, криволинейны. Поэтому возможны искажения поданного сигнала, т. е. появление в составе тока I_вх гармоник и комбинационных частот. Отсутствия искажения сигнала можно добиться используя участок характеристики, наиболее близкий к прямой. На рис. 11.3,а — это участок АВ на входной характеристике биполярного транзистора в схеме с ОЭ. Подадим на вход транзистора переменное напряжение сигнала . При этом входной ток транзистора будет меняться пропорционально изменению напряжения входного сигнала. Для того чтобы при обеих полуволнах переменного напряжения u_вх полуволны переменной составляющей тока i_Б не выходили за пределы этого прямолинейного участка АВ, на вход транзистора необходимо подать прямое постоянное напряжение U_БЭ0. Точка на статической характеристике, однозначно определяемая постоянным напряжением на входе и выходе, называется точкой покоя. В данном случае — точка М.

Постоянное напряжение, которое подается на вход усилительного элемента для выбора точки покоя, называется напряжением смещения. У биполярного транзистора точка покоя может быть задана и постоянным током на входе — током смещения.

При положительной полуволне переменного напряжения сигнала u_вх общее мгновенное напряжение на входе транзистора увеличивается и соответственно увеличивается ток I_Б. При отрицательной полуволне напряжения u_вх, которое является обратным для эмиттерного перехода NPN-транзистора, общее напряжение на входе транзистора уменьшается и соответственно уменьшается входной ток I_Б . Результирующий ток на входе (рис. 11.3,6) является пульсирующим током. Он содержит постоянную составляющую i_Б0 и переменную составляющую i_Б, которые меняются по закону изменения входного напряжения сигнала . Каждое изменение входного тока I_Б вызывает соответствующее изменение выходного тока в коллекторной цепи I_к, так как . Режим работы УЭ при подаче на его электроды постоянных напряжений и в отсутствие на его входе напряжения электрического сигнала, который требуется усилить, называется режимом покоя. В режиме покоя в цепи источник питания — коллектор течет постоянный ток I_К0. При подаче переменного напряжения сигнала на вход транзистора в этой же цепи появляется переменная составляющая коллекторного тока .

Таким образом, энергия постоянного тока источника питания преобразуется в энергию переменного тока, который меняется по закону поданного на вход переменного напряжения.

Итак, чтобы обеспечить минимум искажений, т. е. для совпадения формы выходного тока с формой поданного на вход сигнала, точку покоя выбирают на линейном участке характеристик управления.

Рассмотрим аналогичные графики для полевого транзистора и электронной лампы (рис. 11.4, 11.5).

Точку покоя М выбираем на середине линейного участка АВ путем подачи соответствующего напряжения смещения—напряжения U_И0 на полевом транзисторе и U_C0 на электронной лампе. В режиме покоя вся энергия источников питания тратится бесполезно и идет на разогрев PN-переходов, стока, анода. Только переменная составляющая тока, которая появляется при подаче на вход УЭ усиливаемого сигнала, является полезной, так как она создает на нагрузке усиленное напряжение и мощность. Естественно, что чем больше потери мощности за счет постоянной составляющей тока, тем ниже КПД схемы. Однако, выбрав точку покоя на характеристике ниже, чем показано на рис. 11.3— 11.5, и подав на вход сигнал с такой же амплитудой, мы выйдем за пределы прямолинейного участка АВ, что приведет к искажению формы тока по сравнению с формой поданного сигнала. Чем ниже расположена точка покоя, т. е. чем меньше постоянная составляющая тока I₀, тем выше КПД усилителя.

Выводы. 1. Усилитель электрических сигналов — это устройство, позволяющее получить в нагрузке мощность, которая больше мощности поданного на вход сигнала. 2. В процессе усиления электрических сигналов энергия источника питания Р₀ преобразуется в энергию переменного тока

Рис. 11.5. Кривые токов усилителя на электронной лампе

полезного сигнала на выходе Р_вых, который меняется по закону поданного на вход электрического сигнала. 3. Получение высокого КПД и совпадение формы усиленного сигнала на выходе с формой поданного сигнала на входе зависит от выбора точки покоя.