Усилитель напряжения на биполярном транзисторе.

Биполярный транзистор используется в  усилителе напряжения, схема которого приведена на рис.5.1 :

Рис. 5.1. Схема усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

Назначение элементов схемы рис.5.1:

 VT – биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером;

 e _вх , R _вт – э.д.с. и внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала – создает входное напряжение u _вх;

 С–конденсатор,  исключающий  связь (зависимость состояний) цепи источника сигнала и цепи базы транзистора по постоянному току,

R_Б – базовый резистор, сопротивление которого определяет постоянную составляющую  тока базы I _Б0, т.е. рабочую точку на вольтамперных характеристиках транзистора;

R_К – коллекторный резистор, с помощью которого создается переменное выходное напряжение (так же влияет на положение рабочей точки на выходных характеристиках I _К0  и  U _К0);

 R_Н – нагрузочный резистор (приемник) на котором создается переменное выходное напряжение;

 С_С–конденсатор, исключающий связь (зависимость состояния БТ от R_Н) коллекторной цепи транзистора и цепи нагрузки по постоянному току;

 E_К – источник питания транзистора, энергия которого частично преобразуется в энергию усиленного сигнала на нагрузочном резисторе.

         На вход усилителя подается сигнал - переменное напряжение u_ВХ, которое преобразуется в переменную составляющую тока базы. Изменение тока базы вызывают изменение тока коллектора и напряжения на коллекторе. Вследствие этого появляется переменное напряжение на нагрузочном резисторе, т.е. создается выходное напряжение усилителя. Принцип действия усилителя на рис.5.1 рассмотрим с помощью рис 5.2. на примере синусоидального входного сигнала.

 

4. Построение графика мгновенного выходного напряжения усилителя напряжения при синусоидальном входном напряжении. Искажения формы выходного напряжения при вариациях положения рабочей точки покоя и амплитуды входного напряжения. Амплитудная характеристика усилителя.

Усилитель напряжения на биполярном транзисторе.

Рис. 5.1. Схема усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

              На вход усилителя подается сигнал - переменное напряжение u_ВХ, которое преобразуется в переменную составляющую тока базы. Изменение тока базы вызывают изменение тока коллектора и напряжения на коллекторе. Вследствие этого появляется переменное напряжение на нагрузочном резисторе, т.е. создается выходное напряжение усилителя. Принцип действия усилителя на рис.5.1 рассмотрим с помощью рис 5.2. на примере синусоидального входного сигнала.

 Рис.5.2. К принципу действия усилителя напряжения на биполярном транзисторе в линейном режиме        

Последовательность построения кривых токов и напряжений на рис.5. 2 следующая (см. пунктирные линии):

u_ВХ  u'_ВХ+U_Б0    i_Б +I_Б0    i_К +I_К0  u_К +U_К0  u_ВЫХ

Амплитудная характеристика усилителя напряжения.

         Зависимость амплитуды напряжения на выходе усилителя от амплитуды входного напряжения называется амплитудной характеристикой усилителя.

         На рис.5.5 приведена амплитудная характеристики U_{ВЫХ, m}(U_{ВХ, m} ), которую получают экспериментально. На вход подается синусоидальное напряжение постоянной частоты.  Зависимость имеет линейный участок AB, на котором форма выходного напряжения остается синусоидальной. На этом участке отношение U_{ВЫХ, m}/U_{ВХ, m}  постоянное и равно K_U. На участке ВС зависимость U_{ВЫХ, m}(U_{ВХ, m} ) имеет насыщение, т.к. кривая выходного напряжения u_ВЫХ(t) ограничивается и отличается от синусоиды. Причина ограничения видна на рис. 5.2. Кривая u_ВЫХ(t) не может выйти за пределы отрезка линии нагрузки, ограниченного слева восходящим участком выходных характеристик и справа выходной характеристикой при I_Б=0. При U_{ВХ, m} =0 из-за напряжения шумов U_{ВЫХ, m} = U _m0

 Рис. 5.5. Амплитудная характеристика усилителя.

1. Схема замещения усилителя напряжения на биполярном транзисторе. Амплитудно-частотная характеристика. Влияния емкости конденсаторов связи и частотных свойств транзистора на АЧХ. Полоса пропускания усилителя. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления  на средней частоте.

Схема замещения усилительного каскада в линейном режиме.  

         На рис.5.6 приведена схема замещения усилителя напряжения в линейном режиме для переменной составляющей сигнала с использованием h-параметров транзистора. В ее состав включена схема замещения транзистора (рис.4.12) и добавлены другие элементы из схемы усилительного каскада.

 Рис. 5.6. Схема замещения усилителя напряжения на биполярном транзисторе для переменной составляющей сигнала.

Схема замещения  позволяет записать формулу для важнейшего параметра усилителя напряжения - коэффициента усиления по напряжению (пренебрегая реактивным сопротивлением конденсаторов):

 K_U=U_вых/U_вх= h₂₁I_Б(1/(h₂₂+1/R_k+1/R_н))/ U_вх =

 = h₂₁I_Б/(h₂₂+1/R_k+1/R_н)/(h₁₁I_Б).

 Отсюда

 K_U = h₂₁/(h₂₂+1/R_k+1/R_н)/h_11.

 Входное и выходное сопротивления усилителя.

          Из схемы замещения усилителя входное сопротивление усилителя напряжения на средних частотах (в пренебрежении сопротивлением конденсата С₁)

Z_вх  =1/(1/R_Б+1/ h₁₁)

 Выходное сопротивление усилителя напряжения на средних частотах (в пренебрежении сопротивлением конденсата С₂)

Z_вых   =1/(1/R_К+h₂₂)

         Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимость коэффициента усиления, т.е. отношения амплитуд выходного и входного напряжений U_вых,m/U_вх,m, от частоты синусоидального входного сигнала при его постоянной амплитуде – K_U ( f ).

 

        Амплитудно-частотная характеристика.

Рис.5.7

         При уменьшении частоты сигнала f реактивное сопротивление конденсатора X_C1 =1/(2πfC₁) может быть значительно больше эквивалентного сопротивления участка «БЭ».

и заметная часть напряжения источника оказывается на конденсаторе С₁ .          При этом амплитуда напряжения u_Б(t) между базой и эмиттером уменьшится, уменьшится амплитуда тока базы i_Б(t)  и, следовательно,  - амплитуда выходного напряжения u_ВЫХ(t) . Так как амплитуда входного напряжения u_ВХ(t)  не изменялась, то коэффициент усиления K_U уменьшится.

         На низких частотах сигнала сопротивление нагрузки так же может оказаться меньше реактивного сопротивления конденсатора X_C2 =1/(2πf C₂)

  и амплитуда напряжения на нагрузке уменьшается.

         По этим двум причинам  с уменьшением частоты сигнала коэффициент усиления по напряжению уменьшается.

         В области высоких частот коэффициент усиления так же уменьшается из-за инерционных свойств транзистора (h₂₁ уменьшается с увеличением частоты) и  из-за паразитных емкостей между элементами усилителя и их выводами. На схеме замещения усилителя (рис.5.7.) паразитные емкости отражены  емкостным элементом С_П. 

         При увеличении частоты сигнала реактивное сопротивление X_CП =1/(ωC_П) уменьшается, что приводит к уменьшению амплитуды выходного напряжения.

         Моделирование дает следующие частотные характеристики (рис. 5.8). В реальном эксперименте АЧХ получают при отсутствии нелинейных искажений. Для этого устанавливают амплитуду входного напряжения на средней частоте в пределах отсутствия нелинейных искажений.

         АЧХ в demo5_2 на рис. 5.8а представлена кривой, имеющей примерно постоянное значение коэффициента усиления в области средних значений частот. Здесь условно амплитуда входного напряжения равна нулю. В области низких частот и верхних частот АЧХ спадает к нулю.

 

Рис. 5.8а. demo5_2 . Амплитудно-частотная характеристика усилителя напряжения.