Выходная мощность усилителя

Выходной мощностью усилителя называют мощность колебаний, которые создаются в нагрузке при подаче на вход усилителя переменного напряжения (тока). Для гармонических колебаний при активной нагрузке

Рвых = 0,5 RI = 0.5 U_mRI_mk,

где U_mR = RI_mk – амплитуда переменного напряжения нагрузки, обусловленного переменным током коллектора 1_тк, созданным входным напряжением (током).

Н агрузочная характеристика. Для определения выходной мощности необходимо иметь семейство вольт-амперных характеристик для соответствующей схемы включения транзистора, например выходных I_к = f(U_КЭ) при I_б = vаr и входных I_б = f(U_бэ) при U_кэ = vаr (рис.5.19 и 5.20). Кроме того, требуется знать уравнение нагрузки, которое определяется следующим образом.

Напряжение коллектора U_kэ при наличии нагрузки R в его цепи, как видно из рис. 5.4.

U_кэ = Е_кэ – RI_к. (5.11)

Рис. 5.4

Это соотношение, являющееся уравнением прямой *, определяет связь между током и напряжением коллектора при наличии нагрузки; оно представляет собой уравнение нагрузки I_к=f(U_кэ) при сопротивлении нагрузки, равном R. График, построенный по уравнению нагрузки, называют нагрузочной характеристикой. Нанесем нагрузочную характеристику на семейство выходных характеристик транзистора (см. рис.5.4). Для этого найдем две точки, через которые проходит нагрузочная прямая,

* В общем случае при реактивной или нелинейной нагрузке уравнение (5.11) будет нелинейным,

4

приравнивая поочередно нулю напряжение U_кэ и ток I_к коллектора.

Из уравнения (5.68) получим, что при U_кэ = 0 ток I_k = Е_к/R – такой отрезок отсекает нагрузочная характеристика на оси тока. При I_к = 0 из уравнения (5.68) найдем напряжение U_КЭ = Е_К – такой отрезок отсекается этой характеристикой на оси напряжения. Проведя через точки (О, Е_кэ/R) и (Е_кэ, 0) прямую, получим выходную нагрузочную характеристику.

Точка пересечения нагрузочной характеристики I_к = ф(U_кэ) с той или иной выходной характеристикой транзистора I_к = f(U_кэ) при I_Б = соnst: называется рабочей точкой: она характеризуется тремя координатами (I_к, U_кэ, I_б), т. е. определяет коллекторный ток I_к и напряжение коллектора U_кэ при данном токе базы I_б (напомним, что здесь в качестве примера рассматривается включение транзистора по схеме с общим эмиттером, Рис. 5.5 в схеме с общей базой третьей координатой будет ток эмиттера I_э).

Транзистор, к которому подключена нагрузка, условимся для краткости называть нагруженным транзистором. Входная характеристика нагруженного транзистора будет иной, чем у ненагруженного, поскольку при ее снятии напряжение коллектора изменяется. Данную характеристику можно построить с помощью семейства входных характеристик ненагруженного транзистора I_б = f(U_бэ) при U_Кэ = соnst (рис. 5.5). Для этого следует перенести сюда точки (U_кэ, I_б) пересечения выходных характеристик с нагрузочной (см. рис.5.4): так, при U_кэ= 4 В ток базы I_Б=100 мкА (точка В), при U_kэ= 8 В ток базы I_б = 60 мкА (точка А) и т. д. Соединяя эти точки плавной кривой, получим входную характеристику нагруженного транзистора; она идет более круто, чем у ненагруженного: при включении нагрузки входная проводимость транзистора возрастает.

Режим линейного усиления. Режим усиления, при котором форма выходного колебания соответствует форме входного колебания, называют режимом линейного или неискаженного усиления (режимом А).

Для получения неискаженного усиления необходимо использовать линейный участок характеристик транзистора, на котором изменения выходных и входных токов и напряжений в достаточной мере пропорциональны. При нарушении этого условия недопустимо искажается форма выходного колебания.

В транзисторах искажения возникают в значительной мере за счет нелинейности входных характеристик, а также вследствие нелинейности выходных характеристик. Выбор области неискаженного усиления целесообразно начинать с входных характеристик, выделив на них участок, который с требуемой степенью точности можно считать линейным (рис.5.20). Исходную рабочую точку А выберем посередине этого участка, для чего во входной цепи транзистора

5

с помощью источника напряжения E_БЭ (см. рис.5.4) должен быть создан постоянный ток смещения I_см. Допустимая амплитуда входного тока должна удовлетворять неравенству I_mб < I_см. Как видно из характеристик, в рассматриваемом примере она может достигать значения I_mб = 60 – 20 = 40мкА. Затем по выходным характеристикам (см. рис.5.5) проверяют, сохраняется ли при изменении тока базы в выбранных пределах пропорциональность изменения тока коллектора.

Максимальная выходная мощность. Мощность, затрачиваемая источником сигнала на входе,

P_вх = 0.5 U_mб I_mб (5.12)

На выходных характеристиках (см. рис. 5.4) точки С и В соответствуют границам линейного участка. При амплитудном значении тока на входе 1_т6 амплитудное значение тока на выходе равно I_mk, а амплитудное значение напряжения на нагрузке U_тR = U_тk.

Выходная мощность

P_вых = 0.5 I_mk U_тk. (5.13)

Она пропорциональна площади треугольника АВО или АЕС. Так как

I_mk ≈ h_21э I_mб, а U_вых ≈ – U_mб Rh /h_11э ,

Р_вых = 0,5 U_mб I_mбRh /h_11э (5.14)

то выходная мощность монотонно возрастает в некоторых пределах при увеличении сопротивления нагрузки R. Однако из-за шунтирующего действия выходной емкости транзистора и низкого полного сопротивления входной цепи следующей усилительной ступени возможности значительного увеличения сопротивления нагрузки ограничены.

Возможности увеличения выходной мощности за счет использования большей амплитуды колебаний на входе (1_т6 и U_mб) ограничиваются нелинейностью входных характеристик транзистора.

Максимальная выходная мощность транзистора зависит также от допустимых значений тока I_тk и напряжения U_тk.

Если не принимать во внимание уровень искажений при усилении, то максимальное значение переменной составляющей коллекторного тока I_{mк mах} ограничивается предельным током транзистора: I_{тk max}<< ½ I_Кпред. Величина предельного тока коллектора обусловливается допустимым снижением коэффициента передачи тока при высоких уровнях инжекции (см. 4.3).

Максимальное значение переменной составляющей коллекторного напряжения U_КЭmах ограничивается максимально допустимым напряжением коллектора U_КЭmах : U_mКmах <1/2 U_КЭmах.

Выходная мощность Р_вых составляет определенную долю мощности, расходуемой источником питания коллекторной цепи: Ро = I_oE_кэ.

6

Отношение этих мощностей называют коэффициентом полезного действия по коллекторной цепи:

КПД = η = Р_вых /Р_о = U_тk I_тk/2 I_oE_кэ, (5.15)

он зависит от отношений I_тk /I_о и U_тk /$_кэ. В режиме неискаженного усиления коэффициент полезного действия менее 0,25, поскольку всегда I_тk <I_о, а U_тk < 0.5Е_кэ.

О стальная часть мощности Р₀, отдаваемой источником питания, расходуется на бесполезный нагрев транзистора. Ее называют рассеиваемой мощностью. Поскольку в транзисторной структуре наибольшим электрическим сопротивлением обладает обратно смещенный коллекторный переход, именно в нем рассеиваемая мощность превращается в тепло. Итак, рассеиваемая мощность коллектора

P_k = P_o – P_вых = (1 – η )P_o. (5.16)

В режиме линейного усиления она превышает 0,75 Р₀. По этой причине выходная мощность транзистора Р_{вых mах} ограничивается максимально допустимой рассеиваемой мощностью Р_{к maх}:

Р_{вых mах} < / Р_{к maх} η/(1 – η). (5.17)

Факторы, ограничивающие величину Р_{к maх}, в основном те же, что и для диода (см. 4.4). Рис. 5.6 На семействе выходных характеристик транзистора (рис.5.6) отмечены границы допустимых режимов, определяющие максимально допустимую выходную мощность транзистора. Граница, определяемая максимально допустимой рассеиваемой мощностью, изображается гиперболой

I_{k mах} = Р_{к maх} /U_КЭ, (5.18)

а границы по току и напряжению – горизонтальной и вертикальной прямыми I_Кпред = соnst и U_{кэ mах} = соnst соответственно. Снизу область ограничена характеристикой минимального тока коллектора I_{кэ U} ~ I_КБо.