Каскады на биполярных транзисторах

В усилителях на биполярных транзисторах используют, как правило, схему включения с общим эмиттером, обеспечивающую усиление как по напряжению, так и по току (рис. 2.4). В схеме резисторы и , включенные между корпусом и точкой + E _K, образуют делитель для напряжения питания, которое фиксирует режим работы транзистора — его рабочую точку (рис. 2.5). Ток I _д, текущий через , должен создавать падение напряжения, соответствующее напряжению между базой и эмиттером транзистора U _{БЭ р} , поэтому

где I _д — ток делителя, образованного резисторами и .

Рис. 2.4. Усилительный каскад с общим эмиттером

Рис. 2.5. Влияние положения рабочей точки р на работу усилителя

Через сопротивление течет ток I _Σ, равный сумме тока I _д и тока, текущего в базу транзистора, поэтому

Ток делителя выбирают I _д ≈ (2…5) I _{Б р} . Чем больше I _д, тем стабильнее работает каскад, так как изменения токов коллектора I _K и эмиттера I _Э, а значит, и тока базы I _Б = I _K – I _Э не приведут к значительному изменению напряжения на :

Таким образом, напряжение U _{БЭ р} изменится незначительно. В то же время не следует выбирать ток делителя слишком большим, потому что это снижает КПД каскада из-за потерь энергии в делителе.

Допустим сначала, что U _вх = 0. Под действием напряжения U _{БЭ p} через открытый p-n -переход эмиттер — база протекает постоянный ток базы I _{Б p} . Разделительный конденсатор C _p1 не дает возможности постоянному току протекать через источник входного сигнала.

Транзистор открыт и находится в активной области. Его состояние определит точка p пересечения нагрузочной прямой, проведенной через точки E _K и E _K/ R _K, отсекаемые на осях (см. рис. 2.5), с характеристикой, соответствующей току I _{Б p} . Постоянный коллекторный ток I _{K p} , соответствующий точке р, определит исходное напряжение между эмиттером и коллектором U _{KЭ p} . Так как через разделительный конденсатор C _p2 постоянное напряжение не проходит, выходное напряжение U _вых = 0. Рассмотренное состояние схемы называют режимом работы по постоянному току.

Пусть теперь на вход схемы поступает сигнал в виде синусоидального напряжения с амплитудой U _{вх max}. Этот сигнал уже пройдет через разделительный конденсатор и вызовет изменение управляющего напряжения U _БЭ. Под его действием произойдет изменение токов базы, эмиттера и коллектора. Изменение тока базы оценим по входной характеристике I _Б = f (U _БЭ) и определим амплитудные значения тока + I _{Б max} и – I _{Б max}. Если бы входная характеристика была линейной, то изменения тока базы как в большую, так и в меньшую сторону были бы одинаковы, но из-за нелинейности характеристики амплитуда + I _{Б max} больше, чем – I _{Б max}. Поскольку выходные характеристики I _K = f (U _КЭ) строят для разных токов базы, по ним можно определить токи коллектора, соответствующие токам + I _{Б max} и – I _{Б max}. Изменения тока коллектора относительно среднего значения I _{K p} от (I _{K p} + I _Kmax) до (I _{K p} – I _Kmax) приведут к колебаниям напряжения на сопротивлении R _K и, следовательно, на коллекторе транзистора. Эти колебания легко оценить с помощью нагрузочной прямой. Действительно, рабочая точка р будет перемещаться по нагрузочной прямой между точками пересечения этой прямой с выходными характеристиками, соответствующими токам базы (I _{Б р} + I _{Б max}) и (I _{Б р} – I_{Б max}). Таким образом, колебания входного сигнала привели к пропорциональным колебаниям напряжения коллектор—эмиттер U _KЭ с амплитудой U _{KЭ max} = I _Kmax R _K. Через конденсатор С _р2 эти колебания поступают на выход усилителя. Выходной сигнал, таким образом, равен

U _вых = U _KЭmax = I _Kmax R _K.

Этот режим называют режимом работы по переменному току.

Из приведенных на характеристиках построений видно, что U _{вх max} ≈ 0,1 B, U _{вых max} ≈ 5 B, и, значит, коэффициент усиления по напряжению такого каскада

k = U _{вых max}/ U _{вх max} = 5/0,1 = 50.

Следует обратить внимание, что положительному полупериоду входного напряжения (когда U _{БЭ p} + U _{вх max}) соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения (т.е. U _{KЭ p} – U _{вых max}). Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°. Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку p следует располагать на середине линейного участка входной характеристики.