58. Усилительный каскад с общим эмиттером на биполярном транзисторе.

Т ипичный транзисторный усилительный каскад состоит из транзисторов, элементов обеспечения режима и цепей стабилизации параметров. Усилительный каскад содержит биполярный транзистор (БТ), включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ), резистивный делитель R₁,R₂, который обеспечивает активный режим работы транзистора, нагрузочный резистор R_к, позволяющий получить требуемый ток коллектора и стабилизирующий резистор R_{Э .} Источник входного сигнала подключают к выводу базы через разделительный конденсатор С .

При расчете режима по постоянному току усилительного каскада на биполярном транзисторе цепь источника сигнала не показана , т.к. емкость С представляет собой разрыв (рис.3.3).

Рис.3.3 Транзисторный каскад

Вычислим ток коллектора транзистора с заданными входной и выходными характеристиками (рис.3.4) при номиналах элементов каскада: V = 10 B, R_K = 250 Ом, R₁ = 25 кОм, R₂ = 2.7 кОм.

Рис. 3.4 Характеристики транзистора.

Преобразуем входной делитель R1 – R2 с источником V к последовательной схеме c и запишем уравнение базовой цепи . Построим на графике входной характеристики транзистора нагрузочную прямую, отражающую уравнение базовой цепи, найдем их пересечение и определим значение тока базы I_Б = 0.2мА.

Запишем уравнение коллекторной цепи и построим отражающую ее линию нагрузки на выходных характеристиках. В точке пересечения линии нагрузки с выходной характеристикой, взятой при найденном токе базы I_Б = 0.2 мА, получим значение I_K = 22 мА.

Достоинство графического способа расчета нелинейных резистивных схем заключается в наглядности результатов. Ограничения связаны со сложностью графических построений и преобразований. Так, задача существенно усложняется даже при наличии резистора между эмиттером транзистора и корпусом. Точность графического расчета определяется погрешностью задания исходных характеристик элементов.

Для транзисторов, как правило, в паспорте приводятся не характеристики, а основные параметры: коэффициент передачи тока базы β, напряжение отпирания ( или отсечки) U^* . Оценочный расчет в таком случае целесообразно выполнить с использованием более простых моделей, применимость которых основывается на преобладающем влиянии внешних резисторов на режим работы каскада. Аппроксимируем входную характеристику транзистора (рис.3.5,а) двумя отрезками прямых линий: I_Б = 0 при U_Б < U^*; и U_Б = U^* при I_Б > 0 (это означает замену эмиттерного диода в прямом направлении источником напряжения).

Рис.3.5 Аппроксимация входной (а), выходных (б) характеристик и эквивалентная схема (в)

Выходные характеристики заменим совокупностью прямых, параллельных оси абсцисс (рис.3.5,б), что (это означает включение в коллекторную цепь управляемого источника тока I_K = β I_Б ). В результате получим эквивалентную схему (рис.3.4,в). В соответствии с приведенными характеристиками параметры транзистора U^* = 0.5 В, β = 100.

Для токов в эквивалентной схеме запишем:

Уравнение напряжений по левому контуру .

На основании записанных соотношений получим выражение для тока базы

.

При двух значениях сопротивления эмиттерной цепи R_Э = 25 Ом и R_Э = 0 подстановка дает: I_Б = 0.1 мА при R_Э = 25 Ом ; I_Б = 0.2 мА. и I_К = 20 мА при R_Э = 0. Полученные значения при R_Э = 0 совпадают с результатами графического расчета.

Выполним линеаризацию входной и выходных характеристик транзистора в окрестностях рабочих точек и вычислим h-параметры линейную модель транзистора. Для рассматриваемого транзистора эти параметры практически не зависят от режима (I_Б , I_К) в пределах принятой аппроксимации характеристик и имеют значения = 500 Ом, 0, =100, = 0.0001 См.

В исходной схеме заменим: 1) транзистор эквивалентной схемой четырехполюсника с h-параметрами; 2) постоянный источник V_K его внутренним сопротивлением r_вт=0, что приводит к объединению шин питания и корпуса, т.е. присоединению к корпусу резистора R_K и образованию эквивалентного резистора за счет соединения с корпусом резистора R₁.

Получим эквивалентную линейную схему каскада (рис. 3.9,б) и вычислим токи и напряжения каскада при малых значениях входного синусоидального сигнала J(t)=J_msin(ωt). В линейных резистивных цепях при синусоидальном воздействии все токи и напряжения будут синусоидальными функциями времени с различными амплитудами, например, и уравнения записывают для амплитуд синусоидальных токов и напряжений :

,

.

Из приведенных соотношений можно найти амплитуды токов (напряжений) и с их помощью определить основные параметры каскада: коэффициенты передачи напряжения и тока , входное сопротивление , коэффициент усиления мощности .

Окончательные выражения получаются громоздкими и с учетом соотношений между типичными значениями номиналов элементов запишем приближенные выражения .

С учетом очевидных соотношений получим искомые параметры каскада:

, (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Параметры усилительного каскада ОЭ на БТ

	KU	Ki	KP	RВХ ,кОм
RЭ1 =25 Ом	8.3	100	830	3.0
RЭ2 =0	50	100	5000	0.5

В рассматриваемом каскаде возможен вариант, когда выходной сигнал снимается с эмиттера, т. е. U_ВЫХ=U_Э . В этом случае можно получить соотношение

,

т.е. усиление напряжения отсутствует, но усиливается ток и мощность.

Следует иметь в виду, что реальные напряжения между электродами транзистора и корпусом U_К(t) и U_Э(t) представляют собой сумму постоянной и переменной составляющих, т.е. синусоидальные функции, смещенные на постоянное значение (рис.4.4).

Рис. 3.10 Кривые тока источника и напряжений каскада