8.2. Схема однокаскадного транзисторного усилителя

Рассмотрим схему однокаскадного усилителяпеременного тока, в которой транзистор включён по схеме с общим эмиттером (ОЭ), которая представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Схема однокаскадного усилителя ОЭ

В схеме имеется только один источник питания Ек, от которого питаются цепи коллектора и базы транзистора VT. Нагрузкой цепи коллектора является резисторR_н. Резистор цепи смещения в базе транзистораR_смустанавливает режим транзистора по постоянному току (ток базыI_Б0). Ток коллектораI_К0будет зависеть от коэффициента передачи тока базы транзистора:

.

При этом на коллекторе транзистора установится напряжение

. (8.1)

На вход усилителя поступает сигнал переменного тока u_вх=U_msintчерез конденсатор С, который служит для разделения цепей переменного и постоянного тока на входе усилителя. При таком включении конденсатора С внутреннее сопротивление источника сигнала не влияет на режим транзистора по постоянному току, и постоянное напряжение из цепи базы транзистора не проникает в источник входного сигнала переменного тока.

На выходе усилителя (в цепи коллектора транзистора) на резисторе R_нцепи постоянного и переменного тока не разделены. К резисторуR_нодновременно приложено постоянное напряжениеи переменное напряжение усиленного сигнала, величина которого зависит от коэффициента усиления схемы по напряжениюК_U.

Форма выходного сигнала усилителя зависит от амплитуды входного сигнала переменного тока U_mи положения рабочей точки по постоянному току. В зависимости от формы выходного сигнала различают стандартные режимы работы, которые называютсяклассами усиления.

Рассмотрим работу усилителя в различных классах усиления. Анализ работы проведём графическим методом с использованием статических характеристик транзистора.

8.3. Класс усиления а

В классе усиления А, который также называют линейным усилением без отсечки тока, рабочая точка выбирается из условия , а форма выходного сигнала повторяет форму входного. Проведём анализ работы усилителя ОЭ по схеме на рис. 8.2. На рис. 8.3 представлены статические характеристики транзистора в схеме ОЭ, на которых построена нагрузочная линия.

Рис. 8.3. Графический анализ работы усилителя в классе усиления А

Нагрузочная линия строится на выходных характеристиках по двум точкам: точке холостого хода, в которой U_КЭ= Е_К, и точке короткого замыкания, в которой. Допустим Е_К= 12 В,R_Н= 300 Ом. Тогда максимально возможный ток коллектораI_Кmax= 40 мА. Нагрузочная линия соединяет эти точки, пересекая линии графиков выходных характеристик.

Выберем рабочую точку О_А, в которойВ,I_К0= 20 мА. Перенесём рабочую точку на входную характеристику. Току коллектораI_К0соответствует ток базыI_Б0= 0,4 мА. Пересечение входной характеристики, соответствующейU_КЭ= 6 В, с линией тока базы 0,4 мА даёт нам положение рабочей точки на входной характеристике. Чтобы получить выбранную рабочую точку, надо установить в схему усилителя резистор смещениякОм.

Построим теперь график синусоидального напряжения в нагрузке. На выходных характеристиках определим область насыщения, в которой графики характеристик искривляются. Моменту начала искривления характеристик соответствует напряжение на коллекторе U_КЭ1 В. Следовательно, максимальная амплитуда неискажённого сигнала на выходе может бытьU_m.вых= 6 - 1 = 5 В. Отложим от оси, проведённой через точкуU_КЭ= 6 В, амплитудыU_m.вых= 5 В вправо и влево. Получим точкуU_КЭ= 11 В как наибольшее мгновенное значение напряжения на коллекторе в режиме усиления сигнала переменного тока. Перенесём на входную характеристику точки, соответствующие токам базыI_Б= 0,8 мА (граница области насыщения) иI_Б= 0,05 мА (граница области наибольшего мгновенного значения напряжения на коллекторе). Проведём через эти точки вертикальные линии, между которыми разместится график синусоидального напряжения входного сигнала.

В результате проведённых построений получим U_m.вх= 0,05 В, а амплитуды токов на входеI_m.вх= 0,28 мА и на выходеI_m.вх= 18 мА.

Рассчитаем коэффициенты передачи усилителя:

по напряжению; по току;

по мощности К_Р=К_UК_I= 10064,3 = 6430.

Рассчитаем коэффициент полезного действия усилителя ,

где Р_Н– мощность усиливаемого сигнала в нагрузке;

Р_ПОТР– мощность, потребляемая от источника питания.

Мощность усиливаемого сигнала в нагрузке определяется по действующим значениям тока и напряжения, которые меньше амплитудных значений в раз. Определим действующие значения:

В;мА.

Мощность переменного тока в нагрузке

мВт.

Мощность, потребляемая от источника питания:

мВт.

Коэффициент полезного действия или 15,4%.

Если бы для получения амплитуды выходного сигнала можно было использовать всё напряжение источника питания от 0 до Е_К, коэффициент полезного действия усилителя в классе А (теоретический предел) составил бы 22,5%.

Низкое значение коэффициента полезного действия является недостатком усилителя класса А. Главное же его преимущество – усиление сигнала без искажения формы (режим линейного усиления). Поэтому усилители класса А применяются в маломощных каскадах усиления (режим усиления по напряжению) с большой величиной сопротивления нагрузки.