Амплитудная характеристика (АХ)
Это зависимость выходного сигнала усилителя от входного сигнала. Позволяет определить максимальный входной сигнал Uвх max, при котором нелинейные искажения невелики (рис. 1, а).
Минимальную часть усилителя, сохраняющую его функции, называют каскадом усиления. Каскады усиления состоят из последовательно включенных управляемого элемента, параметры которого изменяются в зависимости от поступающего на его вход напряжения или тока, и резистора нагрузки Rн. В показанной на рис. 42 эквивалентной схеме управляемый элемент (лампа или транзистор) заменен резистором Ry, сопротивление которого зависит от напряжения входного сигнала Uвх.
Рисунок 42 – Эквивалентная схема каскада усиления
При отсутствии входного сигнала (Uвх = 0) в цепи проходит постоянный ток I0 = Eк/(Rн + Ry). При появлении входного сигнала изменяется сопротивление резистора Ry, а следовательно, полное сопротивление цепи и ток в ней, т. е. кроме постоянной составляющей тока в цепи появляется переменная составляющая I~. Если сопротивление управляемого элемента Ry изменяется строго пропорционально напряжению Uвх, то и ток I~ пропорционален напряжению Uвх. Следовательно, падение напряжения Uвых на резисторе нагрузки Rн, создаваемое переменной составляющей тока I~, также пропорционально входному напряжению Uвх, т. е. Uвых = К∙Uвх, где К - коэффициент усиления напряжения.
|
|
Основным требованием, предъявляемым к каскаду усиления, является воспроизведение формы входного сигнала на выходе, т. е. его минимальные нелинейные искажения. Выполнение этого требования обеспечивается подачей определенных напряжений и токов на выводы усилительного элемента. Транзистор во время ожидания входного сигнала находится в режиме покоя.
Электрическому состоянию транзистора в режиме покоя соответствует определенная точка на его входных и выходных характеристиках, называемая рабочей точкой А каскада усиления (р.т.).
Схема каскада усиления и графическое представление его работы при неправильно выбранной рабочей точке показаны на рис. 43, а, б. В режиме покоя транзистор VT закрыт, так как напряжение на эмиттерном переходе Uбэ=0. Следовательно, его токи Iб и Iк также равны нулю. Напряжение на коллекторе транзистора Uкэ = Ек, так как падение напряжения на резисторе Rн нагрузки URн = 0.
Под действием входного сигнала Uбэ~ транзистор будет открыт только в течение части t1 - t2 положительного полупериода сигнала При этом транзистор откроется и его коллекторный ток Iк~ вызовет напряжение URн на резисторе нагрузки Rн. Во время действия отрицательной полуволны входного сигнала Uбэ~ транзистор будет закрыт. Поэтому усиленный выходным сигналом будет существенно отличатся по форме от входного.
|
|
Рисунок 43 – Схема каскада усиления (а) и графическое представление его
работы при неправильно выбранной рабочей точке (б)
Для получения выходного сигнала с минимальными нелинейными искажениями следует выбрать такое положение рабочей точки, при котором каждому значению входного сигнала Uбэ~ будет соответствовать значение выходного. Схема такого каскада усиления и графическое представление его работы показаны на рис. 44, а, б. Напряжением постоянного смещения Uбэ=0,75 В рабочая точка выводится на середину прямолинейного участка входной характеристики транзистора.
Рисунок 44 – Схема каскада усиления (а) и графическое представление его
работы при правильно выбранной рабочей точке (б)
В режиме покоя базовый ток транзистора Iб=0,3 мА, а коллекторный Iк=h21э∙Iб= 50·0,3 = 15 мА, так как среднее значение h21Э данного транзистора равно 50.
Коллекторная цепь транзистора состоит из двух участков: перехода коллектор - эмиттер и резистора нагрузки Rн, между которыми напряжение коллекторного источника Eк распределяется следующим образом:
Eк = Uкэ+ URн = Uкэ + Iк∙Rн
Для лучшего использования транзистора напряжение Uкэ принимают равным 0,5 Eк. Тогда при напряжении Ек, равном 30 В, сопротивление нагрузки Rн=0,5 Eк/Iк= 15 В/15 мА = 1 кОм.
При подаче на базу транзистора входного сигнала, амплитуда которого Uбэm=0,05В ограничена линейным участком входной характеристики (для получения малых нелинейных искажений рабочая точка не должна выходить за пределы этого участка), в цепях базы и коллектора появятся переменные составляющие их токов, соответственно имеющие амплитуды Iбm и Iкm. При этом амплитуда выходного сигнала Uвыхm= Iкm∙Rн = 10 мА∙1 кОм=10 В, а коэффициент усиления напряжения К = Uвыхm/Uбэm = 10 В/0,05 В = 200.