3. Токи в схеме усилительного каскада

Поскольку усилительным каскадом осуществляется преобразование энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного тока, по ветвям схемы каскада протекают как постоянный, так и переменный токи. Из-за наличия в схеме конденсаторов эти токи протекают по разным цепям.

Цепь постоянного тока показана на рис.2.3. Она состоит из двух параллельно включенных ветвей. Одна из них включает транзистор, другая – делительную цепочку R-R. Через резистор Rпротекают два тока: ток базыI_Б и ток делительной цепочкиI. Оба эти тока существенно меньше тока коллектораI.

В отсутствии входного сигнала в схеме протекают только постоянные токи, а транзистор пребывает в «режиме покоя». Уравнение состояния цепи постоянного тока, необходимое для определения значений электрических параметров транзистора в этом режиме, записывается на основе второго закона Кирхгофа для контура, в который входят транзистор, резисторы Rи R, а также источник Е. С учетом малой величины внутреннего сопротивления этого источника и малого отличия токов эмиттера и коллектора уравнение состояния можно представить как

Е = U+ I( R+ R). (2.2)

Откуда

U = Е- I( R + R). (2.3)

Поскольку транзистор является нелинейным элементом, решение уравнения (2.3) проводится методом пересечения характеристик: внешние характеристики источника Е, в состав которого входят резисторыR и R, определяемой правой частью уравнения, и выходной вольтамперной характеристикой транзистора (левая часть уравнения). Необходимые построения в соответствии с этим методом решения представлены на рис.2.4.

Линия нагрузки по постоянному току, построенная в координатах I - U, пересекает оси в точкахЕ(режим холостого хода) и

I =

(режим короткого замыкания). Тангенс ее угла наклона к оси ординат может быть выражен как

Рисунок 2.4. Линии нагрузки на выходной характеристике

транзистора: 1 - по постоянному току, 2 - по переменному току

= R + R = R¯ . (2.4)

Величина R¯ - определяет сопротивление, на которое нагружен выход транзистора по постоянному току. Действительно, с учетом малых величин токов делительной цепочки и базы, а также сопротивления источника Е_К, можно считать, что в коллекторную цепь транзистора входят два резистораR и R, включенные последовательно. В связи с этим прямая, соответствующая правой части уравнения (2.3) , отмеченная на рис.2.4 цифрой «1», получила наименование линии нагрузки по постоянному току.

Выходная вольтамперная характеристика транзистора, пересечение с которой линии нагрузки дает точку покоя, определяющую значения коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер в режиме покоя, зависящую от величины тока базы. На рис.2.4 отмечены значения тока коллектора Iи напряжения коллектор-эмиттерU, соответствующие точке покоя. Точка покоя, кроме значения тока базыI_БП, определяет и величину напряжения база-эмиттерU_БЭП(по входной характеристике транзистора). В связи с этим постоянные токи и напряжения транзистора на рис.2.3 обозначены с индексом “п”.

Значения электрических параметров транзистора в режиме покоя связаны с величинами сопротивлений схемы усилительного каскада. Второй закон Кирхгофа, с учетом того, что I_Б<<I_К, позволяет записать:

(2.5)

(2.6)

Переменная составляющая коллекторного тока транзистора, как видно из рис.2.3, состоит из двух частей. Первая часть тока протекает через резистор R, источник питанияЕи конденсаторС; вторая часть – через конденсаторС, сопротивление нагрузкиRи конденсаторС^*/. Таким образом, если пренебречь величинами сопротивлений для переменного тока конденсаторов Си Си внутренним сопротивлением источника Е, то выход транзистора по переменному току оказывается нагруженным на два сопротивления Rи R, включенными параллельно.

R˜ = R║R. (2.7)

Соотношение (2.7) определяет угол наклона к оси ординат, с которым линия нагрузки по переменному току (прямая 2 на рис.2.4) проходит через точку покоя. При этом

R˜ = = < R+ R.

Следовательно, линия нагрузки по переменному току для схемы усилительного каскада на рис.2.3 через точку покоя должна проходить под большим углом к оси напряжения, чем линия нагрузки по постоянному току. Линия нагрузки по постоянному току является геометрическим местом точек покоя, определяющих постоянные значения напряжений и токов транзистора. Линия нагрузки по переменному току определяет режим работы транзистора в фиксированный момент времени, т.е. его мгновенные значения токов и напряжений на выходной характеристике.

*^/ Выходное напряжение транзистора, кроме переменной, содержит постоянную составляющую.

*^/ В соответствии с соотношением (2.10).