3.8. Применение биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Усилительный каскад должен содержать нелинейный управляющий элемент (транзистор или лампу), источник электрической энергии и вспомогательные элементы. Во входную цепь включается источник сигнала, а в выходную - нагрузка. В дальнейшем будем описывать источник сигнала в виде генератора с напряжением e_Г и внутренним сопротивлением R_Г, а нагрузку - резистором R_Н ( во многих случаях нагрузка может стоять на месте резистора R_К). На рис. 3.30 приведена схема усилительного каскада с ОЭ. Полярность источника питания E_К обеспечивает работу транзистора в активном режиме. Резисторы R_Б и R_К задают требуемые постоянные составляющие токов в цепях транзистора и постоянные напряжения на его электродах - рабочую точку транзистора. От выбора рабочей точки зависит усиление каскада, КПД, искажения сигнала. Для того, чтобы источник сигнала и нагрузка не влияли на режим работы транзистора по постоянному току, включены разделительные конденсаторы C_Р1 и C_Р2, имеющие в рабочем диапазоне частот малые сопротивления. В рассматриваемой схеме постоянные составляющие токов и напряжений определяются:

; (3.41)

I_К(0)= I_Б(0) ;

U_КЭ(0)= E_К - I_К(0)R_К Е_К_  I_Б(0) R_К, (3.42)

где U*  0,8 В - пороговое напряжение на открытом эмиттерном переходе транзистора. Тепловые токи считаются пренебрежимо малыми.

Графический расчет усилительного каскада

Будем считать, что источник сигнала по отношению к транзистору является генератором тока i_Г  I_Гm sin  t, где I_Гm=E_Гm/R_Г. Тогда полный входной ток транзистора можно считать известным . (3.43)

Сопротивление нагрузки будем считать большим R_Н >> R_К.

Для описания работы транзистора воспользуемся семейством выходных характеристик (рис. 3.31) i_К=f(i_Б,u_КЭ). Учитывая, что характеристика резистора R_К подчиняется закону Ома, получим:

где ( E_К - u_КЭ) - падение напряжения на резисторе R_К. Это уравнение называется уравнением нагрузочной линии. Ее график имеет вид прямой линии, проходящей через точку E_К на оси абсцисс и через точку E_К /R_К, на оси ординат. Чем меньше R_К, тем более круто проходит нагрузочная линия. Поскольку через транзистор и R_К протекает один и тот же ток i_К, то его величина и напряжение u_КЭ могут быть найдены путем решения системы уравнений:

. (3.44)

Эта система уравнений может быть решена графически, путем нахождения точек пересечения нагрузочной линии с графиками выходных характеристик транзистора. Для определения параметров режима по постоянному току примем e_Г =0. Тогда значения постоянной составляющей тока коллектора I_К (0) и напряжения U_КЭ (0) определяются пересечением нагрузочной линии и статической характеристики транзистора, снятой при i_Б =I_Б (0), - см. рис. 3.31, точка А.

При подаче на вход каскада напряжения e_Г ток базы будет изменяться относительно I_Б (0) по синусоидальному закону с амплитудой

и рабочая точка будет перемещаться по нагрузочной линии между точками B и C. Соответственно будет изменяться ток коллектора с амплитудой I_Кm около значения I_К (0) и напряжение на коллекторе с амплитудой U_Кm около значения U_КЭ (0). При этом ток коллектора i_К будет находиться в фазе с током базы i_Б, а выходное напряжение u_КЭ в противо-фазе. ( Увеличению тока базы соответствует увеличение тока коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе. См. рис. 3.31). Для определения входного напряжения u_БЭ необходимо воспользоваться входной характеристикой транзистора i=f(u_БЭ) при u_КЭ=U_К(0) рис.3.32. (Строго говоря, при больших U_Кm может потребоваться семейство входных характеристик, снятых при различных u_КЭ, но , как правило, влиянием u_КЭ на входной ток можно пренебречь). Постоянному току I_Б(0) соответствует постоянное напряжение U_Б(0). При изменении тока базы с амплитудой I_Бm входное напряжение изменяется с амплитудой U_Бm_. Обратим внимание на то, что выходное напряжение в данном каскаде (ОЭ) противофазно входному. Графические расчеты могут выполняться и без учета введенных ранее ограничений.