Контрольное задание 1 (стр. 3 )

На рис. 6.2 показаны графические построения на семействах входных и выходных характеристик БТ с ОЭ, которые поясняют процесс усиления электрического сигнала с помощью БТ. Положение рабочей точки А на семействе выходных характеристик (рис. 6.2, а) определяется точкой пересечения выходной характеристики, соответствующей току базы , и нагрузочной прямой по постоянному току, график которой в системе координат описывается уравнением

, (6.6)

полученным из (6.2). Нагрузочная прямая по постоянному току строится по точкам пересечения с осями координат:

при , ; при , .

Таким образом, нагрузочная прямая – геометрическое место рабочих точек активного элемента при конкретных значениях напряжения источника питания и сопротивления резистора . Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению резистора : . Положение рабочей точки А на семействе входных характеристик (рис. 6.2, б) определяется постоянным током базы и напряжением .

При действии на входе усилителя переменного напряжения, изменяющегося по гармоническому закону с малой амплитудой и низкой частотой f:

, (6.7)

ток базы будет также изменяться по гармоническому закону. Причем мгновенные значения тока базы будут соответствовать точкам, лежащим на отрезке ВС одной и той же входной характеристики. Это обусловлено тем, что в активном режиме положение входных характеристик слабо зависит от напряжения .

Изменение базового тока БТ приводит к изменению тока коллектора, а значит, согласно (6.2) — к изменению напряжения . При отсутствии резистора () мгновенные значения и будут соответствовать точкам отрезка ВС нагрузочной прямой по постоянному току. Крайние точки отрезка определяются пересечением с выходными характеристиками, соответствующими токам базы ; , где — амплитуда тока базы. Чтобы не происходило искажения формы сигнала, отрезок ВС должен соответствовать активному режиму работы БТ.

Входное и выходное напряжения усилителя изменяются в противофазе. Увеличению входного напряжения соответствует уменьшение выходного и наоборот. Усилительный каскад на БТ с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на .

Для получения максимального значения амплитуды выходного неискаженного сигнала рекомендуется задавать напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя равным половине напряжения питания . В этом случае практически будет равно половине напряжения питания .

Если к выходу усилителя подключена нагрузка с конечным значением сопротивления , то мгновенные значения коллекторного тока и напряжения будут соответствовать точкам отрезка В'С', лежащего на нагрузочной прямой по переменному току (см. рис. 6.2, а), которая проводится через рабочую точку А. Тангенс угла наклона ее к оси абсцисс обратно пропорционален сопротивлению параллельно включенных резисторов и :

,

где , поскольку для переменного тока эти резисторы включены параллельно. График нагрузочной прямой по переменному току описывается выражением

(6.8)

и может быть построен по точкам пересечения с осями координат:

при , ; при , .

Таким образом, при подключении нагрузки уменьшается максимальное значение амплитуды выходного напряжения за счет уменьшения верхней полуволны (см. рис. 6.2, а).

Амплитуда выходного напряжения связана с амплитудой коллекторного тока соотношением

. (6.9)

Поскольку обычно выполняется неравенство , то для амплитуды входного напряжения можно записать

. (6.10)

Тогда коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

. (6.11)

Поскольку мощность, потребляемую базовой цепью транзистора, можно представить выражением

, (6.12)

а мощность, отдаваемую в нагрузку, выражением

,(6.13)

то коэффициент усиления по мощности можно представить в виде

. (6.14)

Таким образом, входной сигнал малой мощности управляет выходным сопротивлением БТ, за счет чего происходит преобразование энергии источника питания в выходной переменный сигнал большой мощности .

При расчете усилителя необходимо помнить, что углы наклона нагрузочных прямых по постоянному и переменному току не должны отличаться более чем на 20 %, иначе сильно уменьшится максимальное значение амплитуды выходного сигнала, что резко снизит коэффициент полезного действия (КПД) усилителя:

, где . (6.15)

Поэтому соотношение между сопротивлением нагрузки и сопротивлением резистора рекомендуется выбирать согласно выражению

. (6.16)

В этом случае амплитуда коллекторного тока будет составлять

. (6.17)

Обычно исходными данными при расчете усилителя является выходная мощность и сопротивление нагрузки , тогда амплитуда тока в нагрузке определяется выражением