5.5. Квазистатический режим биполярного транзистора в усилительном каскаде

5.5.1. Графоаналитическое рассмотрение при большом сигнале

Упрощенная схема усилительного каскада на ВТ, включенного по схеме с об­щим эмиттером, показана на рис. 5.18. В этом каскаде используется один источ­ник питанияE_К, а для задания постоянного напряжения U_ВХ применен делитель R₁, R₂. Резисторы R₁, R₂ выбирают такими, чтобы ток I = E_К/( R₁ + R₂) был много больше входного тока базы при отсутст­вии сигнала (I>>I_Б). Это позволяет иск­лючить влияние возможного изменения режима работы БТ на напряжение U_БЭ. Если задан ток I_Б, то U_БЭ находится по входной характеристика БТ. Теперь воз­никает вопрос, как определить соответст­вующую точку в семействе выходных ха­рактеристик, т.е. найти постоянное на­пряжение U_КЭ и постоянный ток I_К яри на­личии резистора R_К, и отсутствии сигнала (режим покоя, точка покоя)? По закону Кирхгофа

U_КЭ = E_К – I_К R_К (5.57)

Но ток I_К и U_КЭ должны соответствовать той статической характеристике, на которой отмечено в качестве параметра заданное значение I_Б:

I_К = f(U_КЭ), I_Б = const (5.58)

Из (5.57)

I_К = (E_К – U_КЭ)/ R_К (5.59)

Связь I_К и U_КЭ изображается прямой линией, называемой нагрузочной прямой, которая отсекает в системе координат I_К, U_КЭ отрезки на оси токов при U_КЭ = 0 I^*_К = E_К/R_К, а на оси напряжений при I_К = 0 U^*_КЭ = E_К,. Величины I^*_К и E_К, отмечены точками А и В нагрузочной прямой на рис. 5.19. Чем больше нагрузочное сопротивление R_К, тем меньше I^*_К и меньше наклон нагрузочной прямой: при R_К → 0 она вертикальна, при R_К → ∞ приближается к оси абсцисс.

Нагрузочная прямая пересекает статические характеристики. Точки пере­сечения и определяют значения I_К и U_КЭ, которые соответствуют различным величинам тока базы I_Б (параметра этих характеристик). Точка С пересечения прямой с характеристикой, соответствующей заданному значению I_Б называ­ют точкой покоя.

Пусть на входе имеется низкочастотное синусоидальное напряжение сигнала с амплитудой U_{ВХ m}. Тогда напряжение между базой (входом) и общей точкой

U_ВХ (t)= U_БЭ + U_{ВХ m} sinωt (5.60)

Так как входные характеристики БТ в нормальном активном режиме слабо зависят от напряжения U_КЭ, то можно считать, что рабочая точка, определяющая ток в любой момент времени, перемещается по одной входной характеристике вверх и вниз в определенных пределах. При этом периодическое изменение базового тока приближенно можно представить выражением

I_Б (t)= I_Б + I_{Б m} sinωt (5.61)

гдеI_Бт – амплитуда переменной составляющей базового тока. При таком законе изменения базового тока соответствующая рабочая точка в семействе выходных характеристик будет перемещаться с частотой ω по нагрузочной прямой между точкой F, соответствующей максимальному значению тока базы U_Бmax= I_Б + I_Бт, и точкой, определяемой минимальным током U_Бmin= I_Б – I_Бт. При этом коллекторный ток изменяется от значения I_{К max} = I_К + I_{К m} до I_{К min} = I_К – I_{К m}, где I_{К m} – амплитуда переменной составляющей коллекторного тока. Предполагается, что изменение I_К также имеет синусоидаль­ный характер. Из-за наличия R_К изменение I_К вызывает синусоидальное изменение U_КЭ от значения U_{КЭ min} = U_КЭ – U_{ВЫХ т} до U_{КЭ max} = U_КЭ + U_{ВЫХ т}, где U_ВЫХт=I_КmR_К – амплитудное значение полезного сигнала на резисторе R_К, характеризующее усилитель­ный эффект биполярного транзистора.

По определению коэффициент усиления каскада по напряжению

K_U = U_ВЫХm/U_ВХm (5.62)

а по току

K_I = I_Кm/I_Бm (5.63)

Мощность выходного синусоидального сигнала

Р_ВЫХ = 0,5U_ВЫХmI_Km = 0,5U²_ВЫХm/R_K (5.64)

Мощность входного сигнала в базовой цепи

Р_ВХ = 0,5U_ВХmI_Бm (5.65)

Можно ввести коэффициент усиления по мощности

K_P = Р_ВЫХ/Р_ВХ = K_UK_I (5.66)

Мощность, потребляемая от источника питания в выходной цепи в состоянии покоя (при отсутствии сигнала)

Р_О = I_KE_K (5.67)

Часть этой мощности рассеивается в резисторе (Р_R0), часть выделяется (рассеивается) на коллекторе БТ (Р_K0):

Р_R0 = I²_K R_K (5.68)

Р_K0 = I_K U_КЭ (5.69)

Так как U_КЭ = E_К – I_К R_К , то

Р_K0 = Р₀ – Р_R0 (5.70)

Однако при наличии сигнала выделяемая на коллекторе мощность Р_K стано­вится меньше Р_K0 на величину полезной мощности сигнала Р_ВЫХ, выделяемой в нагрузке,т.е.

Р_K = Р_K0 – Р_ВЫХ = Р₀ – Р_R0 – Р_ВЫХ (5.71)

Коэффициент полезного действия коллекторной (выходной) цепи определяется как:

η_К = Р_ВЫХ / Р₀ (5.72)

Мы провели наглядное графоаналитическое рассмотрение усилительного каскада, которое стало возможным потому, что был принят большой сигнал на входе, когда все амплитуды токов и напряжений оказались значительными. Если входной сигнал настолько мал, что также малы изменения токов и напряжений, то графические построения теряют смысл (невозможны). Выход состоит в том, что введенные параметры (кроме расходуемых мощностей и КПД) можно рассчи­тать с помощью эквивалентных схем, основанных на использовании дифферен­циальных параметров (см. § 5.5.2).