2. Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

Выделение режима покоя при анализе электронных схем является одним из типовых приемов схемотехнической электроники. Продолжим рассмотрение каскада с ОЭ в наиболее распространенном классе усиления — классе А.

Схе­ма каскада приведена на рис. 5; вначале будем рассмат­ривать упрощенный вариант каскада при R_Э = 0. Схема содержит знакомые нам компоненты: усилительный эле­мент— транзистор, источник питания Е_к. сопротивление коллекторной нагрузки R_к. На схеме появилось сопротив­ление коллекторной нагрузки R_Ht к которому приложено напряжение и_вых, а входная цепь условно представлена в виде последовательного включения двух источников на­пряжения и_вх и U_см.

На рис. 6 представлены временные диаграммы напря­жений и токов в каскаде с ОЭ. При и_вх = 0 в режи­ме покоя через транзистор протекают постоянные токи I_Бп, I_Кп, I_Эп и к базе и коллектору транзистора приложены постоянные напряжения U_БЭп и U_БЭп ≠ 0.

Рис. 5. Каскад с ОЭ

Рис. 6. Временные диаграммы токов и напряжений в каскаде с ОЭ

Для того что­бы в режиме покоя U_вых = 0, в цепь нагрузки R_Н необходи­мо ввести источник постоянного компенсирующего напряже­ния U_{ком п} = U_КЭп. При приложении входного напряжения токи и напряжения в транзисторе получают приращения U_БЭ = и_вх, ΔI_к, ΔI_Э, ΔU_КЭ =U_вых, которые пока­заны на рис. 6 для входного сигнала произвольной фор­мы. Мгновенные значения токов и напряжений в транзисто­ре могут быть найдены с помощью графического метода, ко­торый является одним из эффективных средств анализа нелинейных цепей.

В схеме рис. 5 имеется лишь один нелинейный эле­мент— транзистор; связь токов и напряжений в транзисто­ре представлена его ВАХ (см. рис. 1), в частности его вы­ходными характеристиками

I_к = f(и_кэ) при I_Б = const. (1)

При графическом анализе линейная часть схемы описыва­ется уравнением в тех же координатах (i_к, и_кэ).

Рассмотрим режим покоя. Допустим, что в цепь на­грузки включен источник компенсирующего напряжения U_комп = U_{КЭ п}. Тогда в режиме покоя ток в нагрузочную цепь (R_н, U_комп) не ответвляется и уравнение линейной час­ти схемы записывается в виде

i_к = (Е_к - и_кэп)/R_к (2)

Решаем систему уравнений (1), (2) графически, для этого через семейство выходных характеристик транзистора (рис. 7) проводим линию нагрузки по постоянному току, описываемую (2). Из (2) находим, что при i_к = 0, и_кэ = Е_к и при i_к = Е_к/R_к. Через две найден­ные точки проводим прямую линию. Зададим ток базы в режиме покоя I_Бп, тогда пересечение линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при i_Б = I_Бп будет соответствовать решению системы урав­нений (1), (2)—точке покоя 0 (U_{КЭ п}, I_Кп).

В общем случае условие U_комп = U_КЭп не выполняется и ток кол­лектора ответвляется в цепь R_н. Заменим в этом случае линейную часть схемы (Е_к, R_к, U_комп, R_н) эквивалентными сопротивлениями и ЭДС U_экв, R_экв, найденными согласно теореме об эквивалентном генераторе. Можно убедиться, что R_экв = R_КR_Н /( R_К + R_Н), a E_ЭKB=[ R_КR_Н /( R_К + R_Н)](U_комп/R_н + E_K/R_к). Эти значения Е_экв, R_экв подста­вим вместо R_K и Е_к в (2) и построим по этому уравнению линию нагрузки по постоянному току.

Рис. 7. Графический расчет каскада с ОЭ:

Графический анализ каскада при наличии входного сиг­нала производится аналогично. Рассмотрим контур прохож­дения тока ΔI_к через линейную часть схемы. Этот ток мо­жет пройти через R_K и Е_К, а также через U_комп и R_н. По­скольку сопротивление источников постоянного напряжения для приращений тока (т. е. их сопротивление для перемен­ной составляющей тока) равно нулю, уравнение линейной части схемы имеет вид

ΔI_к = ΔU_кэ(R_K + R_Н)/( R_K R_Н) (3)

Решаем совместно (1) и (3). Для этого через се­мейство выходных характеристик транзистора (рис. 7) проводим через точку покоя линию нагрузки по переменно­му току АОВ в соответствии с выражением (3). Посколь­ку R_K > (R_K + R_Н)/( R_K R_Н), прямая АОВ идет круче линии нагруз­ки по постоянному току.

При увеличении i_б рабочая точка каскада (и_кэ, i_к) перемещается вверх по прямой ОА, ток i_к растет, и_кЭ па­дает. При уменьшении тока базы рабочая точка перемеща­ется по прямой ОВ, ток i_к падает, и_кэ растет. Прямая АОВ — это траектория рабочей точки каскада

Графический анализ позволяет учесть нелинейность ха­рактеристик транзистора, дает возможность рассматривать действие любых сигналов в любом классе усиления. Недо­статком его являются громоздкость и невозможность выбора параметров элементов каскада по заданным требо­ваниям. Главное достоинство графического анализа — на­глядное представление о работе каскада как о схеме с не­линейным элементом.