Pho.rs: Усилитель

Условие

В данной задаче рассматривается упрощённый принцип работы трёхконтактного элемента электрической цепи — полевого транзистора. Контакты данного элемента называются «исток», «сток» (имеется в виду исток и сток электронов) и «затвор» (см. рис. 1). При этом сила тока через затвор много меньше силы тока, текущего между стоком и истоком.
Вольт-амперная характеристика транзистора, то есть зависимость силы тока $I$, текущего между стоком и истоком, от напряжения $U$ между ними управляется напряжением $U_{зи}$, созданным между затвором и истоком (полярность подключения, соответствующая положительным значениям $U$ и $U_{зи}$, указана на рис. 1).

Рис. 1

В простейшей модели полевого транзистора его вольт-амперная характеристика описывается графиком, представленным на рис. 2а. При любых положительных напряжениях $U$ между стоком и истоком через транзистор течёт постоянный ток $I_{нас}$, называемый током насыщения. Сила тока насыщения зависит от напряжения $U_{зи}$, созданного между затвором и истоком, так, как показано на рис. 2б.

Рис. 2

На основе данного транзистора был собран простейший усилитель, то есть устройство, позволяющее увеличить амплитуду переменного напряжения. Схема такого устройства изображена на рис. 3 (буквами «с» и «и» отмечены, соответственно, сток и исток транзистора).
На вход усилителя подают переменное напряжение синусоидальной формы с амплитудой $U_a$, зависимость $U_{зи}$ от времени $t$ для которого представлена на рис. 4, и определяют напряжение $U(t)$ на выходе.
При решении задачи считайте известными параметры транзистора: $I_0=0{,}5\ А$, $U_0=1\ В$, напряжение батареи ${\cal E}=10\ В$, а также то, что батарея является идеальной.

Примечание: Амплитудой колебаний называется значение максимального отклонения исследуемой величины от её среднего значения.

Рис. 3

Рис. 4

1 При каких значениях $U_a$ зависимость напряжения $U$ на выходе усилителя от времени будет иметь форму синусоиды, если сопротивление резистора равно: а) $R=5\ Ом$; б) $R=16\ Ом$?

2 Определите коэффициент усиления $K$, то есть отношение амплитуды напряжения на выходе усилителя к амплитуде напряжения на входе, если $R=5\ Ом$, и сигнал на выходе усилителя имеет синусоидальную форму.

3 Постройте график зависимости выходного напряжения $U$ от времени $t$, если $U_a=2\ В$ и $R=8\ Ом$. Отметьте на графике его основные особенности, укажите ключевые значения напряжений.