УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

В усилителе в качестве активного элемента использован биполярный транзистор. Перед тем, как подавать на вход усилителя сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами.

Для характеристики проблемы обеспечения начального режима рассматривают следующие три схемы:

• с фиксированным током базы;
• с коллекторной стабилизацией;
• с эмиттерной стабилизацией.

Схема с фиксированным током базы (рис. 9.9).

Рис. 9.9. Схема включения транзистора с фиксированным током базы

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

.

Отсюда находим ток коллектора i_K:

,

что соответствует линейной зависимости вида .

Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 9.10).

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

.

Отсюда находим ток базы i_б:

.

Учитывая, что u_бэ<<Е_к, пренебрежем напряжением u_бэ. Тогда .

Рис. 9.10. Выходные характеристики транзистора с линией нагрузки

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток iб задается величинами E_к и R_б (ток «фиксирован»). При этом .

Пусть i_б=i_б2. Тогда начальная рабочая точка (НРТ) займет то положение, которое указано на рис. 9.10. Видно, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, i_б=0), а самое верхнее положение – точке Z (режим насыщения, i_б ≥ i_б4).

Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:

· при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины и , что изменяет ток I_кн и положение начальной рабочей точки;

· для каждого значения необходимо подбирать соответствующее значение R_б, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, изготовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 9.11). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима.

Рис. 9.11. Схема включения транзистора с коллекторной стабилизацией

В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединен со входом схемы – базой транзистора с помощью резистора R_б). При увеличении тока i_к (например, из-за повышения температуры) начинает увеличиваться напряжение u_Rк. Это приведет к уменьшению напряжения u_кэ и тока i_б ( ), что будет препятствовать значительному увеличению тока i_к, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией (рис. 9.12). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток i_э и через это – ток i_к . С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор R_э и создают на нем практически постоянное напряжение u_Rэ. При этом оказывается, что:

.

Для создания требуемого напряжения u_Rэ используют делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂.

Рис. 9.12. Схема включения транзистора с эмиттерной стабилизацией

Резисторы R₁ и R₂ выбирают насколько малыми, что величина тока i_б практически не влияет на величину напряжения u_R2. При этом

.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа u_Rэ = u_R2 – u_бэ .

При воздействии дестабилизирующих факторов величина u_бэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина u_Rэ. На практике обычно напряжение u_Rэ составляет небольшую долю напряжения Е_к.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АБ, В, С и D. Рассматриваемые RC – усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (i_к > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала. В режиме В ток I_кн=0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени, меньшего чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).