2.2.1. Режим покоя

Это понятие имеет очень большое значение как для работы каскада, так и для ее изучения. Так называют режим при отсутствии входного сигнала (е_г = 0 или u₁ = 0). Но при этом в каскаде протекают постоянные токи и в узлах каскада имеются постоянные напряжения. На рис. 2.2 режим покоя отмечен точкой А. Этот режим называют также режимом по постоянному току, начальной рабочей точкой, рабочей точкой покоя. Все названия равноправны. Постоянные токи в режиме покоя на рис.2.2 (в точке А) это –I_кА, I_бА. Постоянное напряжение в точке – U_кэА, U_бэА, U_бА (потенциал базы относительно корпуса). Независимыми являются координаты точки А на выходных характеристиках -I_кА и U_кэА. Они задаются (выбираются) перед построением каскада. На рисунке 2.2 I_кА = 2 мА, U_кэА = -5 В. Координаты точки А (I_кА, U_кэА) связаны уравнением баланса ЭДС и напряжений в выходной цепи:

. (2.1)

а б

Рис. 2.2

На практике часто используют полученное из уравнение нагрузочной характеристики по постоянному току:

, (2.2)

справедливое для любой точки по постоянному току, в том числе и для точки А (). Уравнение (2.2) является уравнением прямой ВС. Поэтому нагрузочную характеристику (ВС) по постоянному току строят по двум точкам на осях координат: по точке В, в которой U_кэ = 0, , и точке С, в которой I_к = 0, . Остальные величины (I_бА, U_бэА, U_бА) определяются типом транзистора и выбранными ранее величинами I_кА, U_кэА. Например, , U_бэА определяются по входной характеристике выбранного транзистора при токе I_бА. На рис. 2.1 , но для других схем это может быть не так. Смысл U_бА будет раскрыт позднее в схеме каскада с эмиттерной стабилизацией. Для точки А из рисунка 2.1,б можно определить по входной характеристике U_бэА = = 0,25 В.

Указанные параметры (координаты) режима покоя (I_кА, U_кэА, I_бА) определены пока теоретически, по характеристикам. Такое определение называют выбором режима покоя. Однако схему практически надо построить так, чтобы эти выбранные ранее величины были реализованы на практике, т.е. должен быть задан выбранный режим на практике и реальные величины должны соответствовать выбранным. Правила выбора и способы задания режима покоя будут рассмотрены подробнее позднее.

Понятие режима покоя и все понятия и требования, связанные с ним, справедливы для усилителей любых типов. Рассматриваемые понятия и требования к режиму покоя будут использоваться в дальнейшем и для других типов усилителей без дополнительных объяснений.

2.2.2. Работа схемы

При появлении усиливаемого сигнала е_г () через разделительную ёмкость С_р на входе каскада появляется переменное управляющее напряжение u₁, а в цепи базы протекает переменная составляющая тока базы i_б, связанные с е_г соотношениями:

, . (2.3)

Для простоты напряжение u₁ и ток приняты синусоидальными. Входной сигнал u₁ будет накладываться на режим покоя. Так во входной (базовой) цепи вместе с постоянной составляющей тока покоя I_бА будет протекать переменная составляющая тока базы . Токи I_бА, будут суммироваться в базовой цепи (по правилам линейной или нелинейной цепи). Так, при положительной полуволне тока постоянный ток базы будет увеличиваться, а при отрицательной полуволне тока полный ток базы будет уменьшаться. Полный ток базы i_б под управлением входного сигнала u₁ будет изменяться (увеличиваться или уменьшаться) от величины тока покоя I_бА до (). При соблюдении определённых условий (основным из которых является выполнение режима малого сигнала) может быть использован принцип суперпозиции. Тогда происходит алгебраическое суммирование переменной и постоянной составляющих тока в цепи. Для базовой (входной) цепи в этом случае можно записать:

, . (2.4)

В зависимости от соотношения величины и R_г возможны предельные режимы входной цепи каскада в отличие от (2.3):

1. Режим генератора ЭДС – , при этом

, . (2.5)

Источник сигнала е_г по отношению к входной цепи каскада является источником (генератором) ЭДС.

2. Режим генератора тока – , при этом

, . (2.6)

Источник сигнала в этом случае является генератором (источником) тока.

В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, ток коллектора управляется током базы (). Поэтому полный ток коллектора i_к под управлением переменной составляющей тока базы тоже будет изменяться от величины тока покоя I_кА, т.е. в нём тоже появится переменная составляющая , которая будет алгебраически суммироваться с током покоя I_кА:

. (2.7)

Переменная составляющая тока коллектора в  раз больше переменной составляющей тока базы :

, (2.8)

и является, по сути, уже усиленным сигналом. Однако почти всегда требуется усиленный (выходной) сигнал в виде переменного напряжения (а не тока ), т.е. требуется преобразовать в . Такую функцию преобразования в выходной цепи выполняет резистор R_к (называемый коллекторной нагрузкой). Протекая через резистор R_к, переменная составляющая тока создаёт на нём переменную составляющую падения напряжения:

.

Однако, как уже указывалось, выходной сигнал снимается между коллектором и корпусом. Переменная составляющая выходного сигнала равна по величине , но противоположна по знаку (это вытекает из (2.2): при увеличении тока i_к и росте напряжение на коллекторе падает): .

Полное напряжение на коллекторе тоже можно представить суммой переменной и постоянной составляющих:

. (2.9)

Почти всегда нагрузка R_н, для которой производится усиление сигнала, не может быть включена в коллекторную цепь. В нагрузку R_н требуется передать только переменную составляющую сигнала, тогда нагрузка R_н подключается к коллекторной цепи через разделительный конденсатор С_р1, пропускающий только переменную составляющую сигнала, как показано на рис. 2.1,б. На этом рисунке показано, что под действием часть переменного тока через конденсатор С_р1 ответвляется в нагрузку R_н и образует выходной ток (ток нагрузки) . Величина переменной составляющей напряжения на коллекторе в этом случае определяется сопротивлением параллельно включенных резисторов R_к и R_н, называемым часто эквивалентным сопротивлением по переменному току:

, (2.10)

где .

Рабочая точка при этом будет перемещаться по нагрузочной характеристике для переменного тока, на рис. 2.2,а это линия , проходящая через точку . Уравнение этой нагрузочной характеристики:

. (2.11)

Для повышения уровня выходного сигнала (в нагрузке R_н) нужно, чтобы большая часть тока ответвлялась в нагрузку. Для этого сопротивление R_к надо выбирать в несколько раз больше R_н. Ориентировочно можно считать, что необходимо выполнение условия

.