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_БЭр, 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_Бр. 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_БЭр 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_БЭp через открытый p-n-переход эмиттер — база протекает постоянный ток базы I_Бp. 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_Бp. Постоянный коллекторный ток I_Kp, соответствующий точке р, определит исходное напряжение между эмиттером и коллектором U_KЭp. 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_Kp от (I_Kp + I_Kmax) до (I_Kp – 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_Бр + I_{Б max}) и (I_Бр – I_{Б max}). Таким образом, колебания входного сигнала привели к пропорциональным колебаниям напряжения коллектор—эмиттер U_KЭ с амплитудой U_{KЭ max} = I_KmaxR_K. Через конденсатор С_р2 эти колебания поступают на выход усилителя. Выходной сигнал, таким образом, равен

U_вых = U_KЭmax = I_KmaxR_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_БЭp+ U_{вх max}) соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения (т.е. U_KЭp – 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.