Характеристик транзистора: а – выходных; б – входной
Поскольку в режиме усиления входного сигнала токи в напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, то линия нагрузки по переменному току тоже пройдет через точку покоя П. И поскольку Rкн < Rк, то линия будет находиться под углом н = arcctgRкн, большим, чем угол . Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где формально напряжение равно сумме Uкн + IкпRкн, и через нее и точку П проводят прямую (штриховая линия 3–4 на рисунке 3, а).
С целью упрощения расчетов принцип действия каскада ОЭ рассмотрим при отключенной нагрузке Rн (режим холостого хода по переменному току). При подаче на вход каскада переменного напряжения uвх переменный ток базы iб будет изменяться в соответствии с входной характеристикой (рисунок 3, б). Одновременно с этим и по такому же закону станет менять свои значения переменный ток коллектора. Так, например, при увеличении амплитуды входного напряжения возрастет ток базы iб. Поскольку ток коллектора iк = h21iб (h21 составляет 50...75), то он тоже возрастет. В результате увеличивается падение переменного напряжения на резисторе Rк (ведь URк = iкRк), а переменное напряжение на коллекторе uкэ = uвых = Ек – iкRк уменьшается. При уменьшении же входного напряжения картина меняется на обратную. Из проведенного анализа следует, что каскад ОЭ наряду с усилением мощности изменяет фазу входного сигнала на 180° (рисунок 3).
Точно таким же образом работает схема и при подключении нагрузки Rн, однако переменный коллекторный ток при этом распределяется между резисторами Rк и Rн, что естественно снижает усиление.
При использовании каскада ОЭ для усиления мощности необходимо учитывать параметры предельно допустимых режимов работы транзистора. Таких параметров три и они строятся на выходных характеристиках (рисунок 3, а). Кривая допустимой мощности рассеяния строится по формуле Ркдоп = UкэIк и представляет собой гиперболу, а линии допустимых коллекторного тока Iкдоп и напряжения коллектор-эмиттер (Uкдоп — прямые, параллельные осям координат.
Рисунок 4 – Эквивалентная схема каскада ОЭ
В целях исключения искажений формы выходного сигнала необходимо обеспечить такой режим работы транзистора, чтобы рабочая точка, перемещаясь по линии нагрузки, не выходила за пределы напряжения насыщения (∆Uнас =0,3...0,7 В).
Основные показатели усилительного каскада ОЭ обычно рассчитывают с помощью h-naраметров транзистора, используя эквивалентную схему каскада ОЭ (рисунок 4), основой которой является схема замещения транзистора (обведена штриховой линией). В упрощенной схеме замещения транзистор формально представляется активным линейным четырехполюсником, на входе которого действуют напряжение Uвх и ток Iвх, а на выходе – напряжение Uвых и ток Iн.
Указанные величины представлены действующими значениями, связанными с известными амплитудными формулами: ,
В схеме резистор h11 отражает входное сопротивление, эквивалентный генератор тока h11Iб – усилительные свойства, а сопротивление 1/ h22 – величину, обратную выходной проводимости транзистора. Отметим, что в эквивалентной схеме не показаны конденсаторы и источник питания, так как их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому резисторы Rк и Rн включены непосредственно между эмиттером и коллектором. Сопротивление Rб = R1 R2 показывает наличие базового делителя, резисторы R1, R2 которого по переменному току соединены параллельно. Формулы для расчета сопротивлений R1 и R2 нетрудно получить из схемы рисунка 4.
(3)
В
(4)
Rвх = Uвх/Iвх = Rбh11/(Rб + h11) h11.
Выходное сопротивление с учетом неравенства Rк << 1/ h22
(5)
Коэффициент усиления по напряжению:
(6)
К
(7)
KI = Iн/Iвх Iк/Iб h21.