УСИЛИТЕЛЬ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ, ВКЛЮЧЕННОМ ПО СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

Для усилителей на биполярных транзисторах входной переход транзистора всегда включают в прямом направлении, а выходной — в обратном [6]. На рис. 3.2.1 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общей базой (ОБ). Источник переменного тока I_вх в данном случае должен обеспечивать низкое сопротивление постоянному току I_Э.

 Резистор R_K является нагрузкой транзистора по постоянному току и опреде­ляет сто усилительные свойства. Если R_K = 0, то эффект усиления напряжения не происходит, т. к. = Е_к = const. С увеличением R_K растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на R_K сверху.

Для данной схемы ориентировочные значения коэффициентов усиления можно определить следующим образом:

,

где R_КБ и R_ЭБ — сопротивления переходов коллектор-база и эмиттер-база.

Рис. 3.2.1. Схема усилителя по схеме с общей базой

Поскольку для схемы ОБ  ≈ , R_КБ||R_К ≈ R_K, a R_ЭБ << R_K (т. к. вход­ной переход транзистора включен в проводящем направлении), то получим, что модуль коэффициента усиления по напряжению ки» 1.

Модуль коэффициента усиления по току k_U меньше 1 (ОБ):

< 1,  k_i ≈ (0,5 ÷ 0,95).

Следовательно, схема с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усилива­ет ток.

1. Расчет схемы по постоянному току.

Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: R_К, R_Э, E_К, E_Э и характеристиками транзистора VT. Запишем уравнения Кирх­гофа для выходной цепи:

Первое уравнение представляет собой уравнение прямой, которую называют нагрузочной прямой, а второе уравнение представляет семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Для построения нагрузочной линии рекомендуют использовать 2 режима:

- режим холостого хода: I_К = 0 тогда получим U_КБ = Е_К, точка 1 (см. рис. 3.2.2)

- режим короткого замыкания: U_КБ = 0, следовательно, I_КЗ = , точка 2 (см. рис. 3.2.2).

Через полученные две точки проведем нагрузочную прямую, и выберем на ней точку покоя, например точку О (рис. 3.2.2). Для возможности более полного использования характеристик транзистора точку "О" располагают в центральной области выходных характеристик. Эта точка характеризу­ется двумя координатами I_Кn, U_КБn в зависимости от выбранного I_Эn.

Для обеспечения работы усилителя в точке покоя "О" нужно обеспечить входной ток I_Эn. Аналогично выходной цепи опишем входную цепь систе­мой уравнений:

Рис. 3.2.2. Выходные характеристики транзистора с ОБ

Первое уравнение является нагрузочной прямой по входу, а второе уравнение — входными характеристиками транзистора. Для построения нагрузочной линии используем режимы холостого хода и короткого замыкания (рис. 3.2.3):

- режим XX:

I_Э = 0;  U_ЭБ = Е_Э;

- режим КЗ:

U_ЭБ = 0;  I_КЗ = .

Рис. 3.2.3. Входные характеристики транзистора с ОБ

Положение рабочей точки на нагрузочной прямой можно определить по току I_Эn и по напряжению U_КБn. Координаты рабочей точки определяют напряжение между базой и эмиттером по постоянному току U_ЭБn (pиc. 3.2.3).

2. Расчет усилителя по переменному току.

Принципиальная схема усилителя напряжения  изображена на рис. 3.2.4.

Разделительные конденсаторы С_P1 и С_P2 нужны для того, чтобы:

- источник входного сигнала и нагрузка не изменяли режим работы транзистора по постоянному току;

- не пропускать в нагрузку постоянную составляющую.

При расчете схемы по переменному току составляется электрическая модель усилителя, включающая линейную электрическую модель транзисто­ра с учетом того, что для переменных составляющих источники питания (E_К, Е_Э) обладают низким внутренним сопротивлением, и. следовательно, можно считать, что точки "+" и "-" источников E_К, Е_Э однопотенциальны.

Рис. 3.2.4. Принципиальная схема усилителя с ОБ.

Построим осциллограммы, иллюстрирующие работу усилителя. Пусть входное воздействие представлено источником синусоидального тока:

i_вх(ωt) = I_m∙sin ωt.

Осциллограммы, иллюстрирующие работу усилителя, будет иметь вид, представленный на рис. 3.2.5. На рисунке показаны характерные точки для I_К, U_КБ  при значениях аргумента ωt = 0; π/2; π; 3π/2; 2π входного тока i_вх(ωt), а также для произвольного значения аргумента ωt_i входного воз­действия i_вх(ωt_i).

Для колебаний входного тока, значение которого относительно координаты точки покоя "О" изменяется не больше, чем на 25-30%, можно считать, что усилитель работает в линейной области характеристик, что обеспечи­вает синусоидальные значения выходного тока (I_К) и напряжения (U_КБ) при синусоидальном входном воздействии. Входное напряжение U_вх = i_вх(ωt)R_ВХ∙Ус по фазе совпадает с током i_вх(ωt). Из рис. 3.2.5 следует, что фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями равен ну­лю (φ_u = 0), а фазовый сдвиг между токами I_К и I_Э равен 180° (φ_i = 180°). Это объясняется тем, что U_КБ и I_К отрицательны и реально расположены в третьем квадранте.

Рис. 3.2.5. Осциллограммы усилителя на транзисторе с ОБ