Графический анализ усилительного режима

Целью графического анализа является наглядное представление процессов в ре­жиме усиления электрических сигналов. На рис. 4.26, а показаны временные диа­граммы токов и напряжений в базовой цепи, а на рис. 4.26, б — в коллекторной. Режим работы по постоянному току определяется резисторами R_б и R_K. Для этого в системе координат i_K = f(u_кэ) строят нагрузочную линию коллекторной цепи (рис. 26, б) аналогично тому, как это делалось при анализе выпрямительного ре­жима диода. Точки пересечения этой линии с выходными характеристиками оп­ределяют режим работы коллекторной цепи при конкретном значении тока базы, В качестве исходной рабочей точки (ИРТ) выбирают пересечение нагрузоч­ной линии с той выходной характеристикой, при которой выполняется условие U_кэ0= Е_и.п / 2 (точка А'). Этой ИРТ соответствует ток базы i_б = I_б0.

Чтобы обеспечить получение тока I_б0, в системе координат i_б =f(и_6э) строят на­грузочную линию цепи базы (рис. 26, а). Для этого на входной характеристи­ке выделяют точку А (она является исходной рабочей точкой базовой цепи, в этой точке i_б = I_б0 и проводят прямую линию, проходящую через точки А и Е_и.п, Наклон этой линии определяет значение сопротивления R_б После того как задан режим работы по постоянному току, строят графики временных зависимостей то­ков и напряжений, полагая входной сигнал синусоидальным.

Пусть внешняя нагрузка отсутствует, а на базу транзистора через разделительный конденсатор С₆ поступает напряжение с амплитудой U_6эm, изменяющее положе­ние рабочей точки. При положительной полуволне синусоидального напряжения рабочая точка по входной характеристике сдвигается вверх, максимуму напряжения соответствует точка В. При отрицательной полуволне рабочая точка сдвига­ется вниз, минимуму напряжения соответствует точка С. В результате ток базы изменяется с амплитудой I_бm. Изменение тока базы вызывает изменение положе­ния рабочей точки на выходных характеристиках. При положительной полувол­не входного напряжения она сдвигается вверх и занимает положение В', а при отрицательной полуволне сдвигается вниз и занимает положение С. При этом ток коллектора изменяется с амплитудой I_кm а напряжение — с амплитудой U_кэm, при­чем напряжение на коллекторе находится в противофазе с напряжением на базе.

При наличии внешней нагрузки, подключенной к коллектору через конденса­тор, нагрузочная линия изменяет свой наклон (см. пунктир на рис. 4.26, 6), так как сопротивление для переменного тока уменьшается, оно становится рав­ным R_нэ = R_н *R_к / (R_к + R_н). Подключение внешней нагрузки не изменяет режим ра­боты транзистора по постоянному току, поэтому нагрузочная линия при наличии внешней нагрузки проходит через ту же точку А', но пересекает выходные ха­рактеристики, соответствующие максимуму и минимуму тока базы, в точках В" и С". Нетрудно понять, что при этом амплитуда U_кэm уменьшается, а амплитуда I_кm незначительно возрастает. Одновременно с этим уменьшается площадь зашт­рихованных треугольников, определяющая выходную мощность переменного тока

Определив с помощью графических построений амплитуды входных и выход­ных сигналов, можно рассчитать основные параметры усилителя:

□ коэффициент усиления напряжения;

□ коэффициент усиления тока;

□ коэффициент усиления мощности;

□ входное сопротивление;

□ выходное сопротивление,

где U_вых.х.х — выходное напряжение холостого хода при R_н →∞, I_вых.к.з, — выход­ной ток короткого замыкания при R_к = 0;

□ коэффициент полезного действия,

где мощность, потребляемая от источника питания.

Из проведенного анализа следует, что усиление электрических сигналов проис­ходит за счет преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока Р_вых = U_кэm*I_km /2, выделяемую в нагрузке. При этом КПД оказывается не очень высоким. В пределе U_кэm = Е_и.п / 2, I_кm = I_ко следова­тельно, η_пред = 0,25. Поэтому рассмотренный режим, называемый линейным (или режимом А), применяют в основном в маломощных усилителях, где потери мощ­ности, расходуемой на нагрев транзистора и резистора R_K, невелики. В мощных усилителях применяют иные режимы работы транзистора и более сложные схе­мы, обеспечивающие получение более высокого КПД.