Работа транзистора в усилительном каскаде

Рассмотрим работу активного элемента в усилительном каскаде на примере биполярного транзистора. При этом под усилительным каскадом будем понимать минимальную часть усилителя, содержащую один (реже – два) активный элемент и сохраняющую функции, присущи усилителю.

Чтобы обеспечить усиление сигнала, транзистор усилительного каскада должен работать в активном режиме. Ранее было показано, что активный режим работы транзистора обеспечивается прямым смещением эмиттерного и обратным смещением коллекторного переходов. На рисунке 2.18 показана упрощенная схема включения биполярного транзистора в усилительном каскаде. Источники ЭДС E_БЭ и E_КЭ подключены относительно выводов транзистора таким образом, чтобы обеспечить ему активный режим работы.

Рисунок 2.18 – Активный режим работы транзистора

в схеме с общим эмиттером

Проанализируем работу транзистора в статическом и динамическом режимах.

Статическим режимом работы транзистора называется режим, при котором в транзисторе протекают постоянные токи, а между его выводами действуют постоянные напряжения.

В статическом режиме работы транзистора на его входе отсутствует переменная составляющая сигнала, подлежащего усилению. Статический режим обеспечивается подачей на эмиттерный и коллекторный переходы соответствующих напряжений U_БЭ и U_КБ (U_КЭ).

Режим работы транзистора, при котором токи в его цепях изменяются в соответствии с изменениями сигнала переменного тока, поданного на его управляющие электроды, называется динамическим.

Низкочастотные свойства биполярного транзистора определяются семейством его входных и выходных статических характеристик (п. 1.4.3). Как показано ранее, постоянные составляющие токов всех электродов биполярного транзистора связаны следующими соотношениями

а это значит, что управлять, например, током коллектора можно посредством изменения тока базы. В свою очередь токи являются функциями напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам. На рисунке 2.19 приведены входные и выходные ВАХ биполярного транзистора. Из рисунка видно, что ток базы транзистора зависит как от напряжения, приложенного к эмиттерному переходу U_БЭ, так и от напряжения, приложенного к коллекторному переходу U_КЭ. Так, при неизменном напряжении U_БЭ1 повышение напряжения на коллекторном переходе от U_КЭ1 до U_КЭ2 повлечет уменьшение тока базы от значения I_Б1 до значения I_Б2. Точкам О₁ и О₃ на входных ВАХ соответствуют одноименные точки на семействе выходных ВАХ. Из рисунка видно, что уменьшение тока базы влечет существенное уменьшение тока коллектора (от значения I_К1 до значения I_К3). Изменяя напряжение U_БЭ, можно поддерживать ток базы неизменным в случае изменения напряжения U_КЭ (точки О₁ и О₂), но при этом ток коллектора, хоть и не существенно, будет изменяться (соответствующие точки О₁ и О₂ на семействе выходных ВАХ).

Рисунок 2.19 – Входные и выходные ВАХ транзистора,

включенного в схеме с ОЭ

Таким образом, можно сделать вывод, что выходной ток транзистора I_К более чувствителен к изменениям тока базы I_Б, чем к изменениям напряжения на коллекторном переходе U_КЭ.

Динамической характеристикой усилительного каскада называют зависимость между мгновенными значениями токов и напряжений в его цепях при наличии нагрузки в выходной цепи. Таким образом, понятие «динамическая характеристика» используют при анализе реакции усилительного каскада на входное воздействие в виде переменного сигнала.

Для построения выходных динамических характеристик используют выходные ВАХ активного элемента, применяемого в каскаде. На рисунке 2.20 приведено семейство выходных ВАХ биполярного транзистора, соответствующих его включению по схеме с ОЭ, когда в качестве I_вых используется ток коллектора I_к, а в качестве U_вых – разность потенциалов U_кэ между коллектором и эмиттером транзистора. Ток базы I_Б на приведенных ВАХ выступает в роли параметра, управляющего выходным током. Линиями 1 и 2 показаны границы активной (управляемой) области характеристик.

Рисунок 2.20 – Основные области на семействе выходных ВАХ транзистора

При работе биполярного транзистора в усилительном каскаде, в нем под действием изменяющегося тока базы I_Б изменяется величина выходного тока I_к, а это, в свою очередь, может приводить к изменению выходного напряжения U_кэ.

Введем понятия рабочей точки (РТ) и исходной рабочей точки (ИРТ). Точка плоскости выходных (или входных) ВАХ активного элемента, связывающая текущие значения токов и напряжений в каскаде, называется рабочей точкой. Рабочая точка, соответствующая токам и напряжениям при отсутствии входного (усиливаемого) сигнала, называется исходной рабочей точкой.

В дальнейшем токи и напряжения, соответствующие ИРТ, на ВАХ биполярного транзистора будем обозначать I_К0, U_КЭ0, I_Б0, U_БЭ0.

При расчете усилительного каскада необходимо обеспечить такие условия функционирования транзистора, чтобы при любых значениях управляющего параметра (тока базы) рабочая точка находилась в пределах активной (усилительной) области его выходных ВАХ. Только в этом случае может быть обеспечено неискаженное воспроизведение усиливаемого сигнала на выходе усилительного каскада. На рисунке 2.20 активная область ограничена снизу областью отсечки (ниже линии 2), слева – областью насыщения (левее линии 1), сверху – линией максимально допустимой мощности, рассеиваемой на транзисторе (точнее – линией тока коллектора I_К = P_tмакс : U_КЭ).

Напряжения, токи, а также цепи, обеспечивающие положение ИРТ в пределах активной области, называются соответственно напряжениями, токами и цепями смещения. Напряжения и токи смещения часто также называют начальными.

Начальные напряжения и токи усилительного каскада должны выбираться таким образом, чтобы при изменении входного (управляющего) сигнала в пределах всего диапазона возможных его значений выходные токи и напряжения транзистора не выходили за пределы активной области ВАХ. Этого добиваются правильным подбором цепей смещения.

В процессе воздействия управляющих сигналов на вход транзистора усилительного каскада значения токов и напряжений в каскаде изменяются, а рабочая точка (РТ) занимает различные положения на выходных ВАХ. При этом, если входной сигнал изменяется плавно (не скачком), то РТ перемещается вдоль некоторой непрерывной линии. Линия на плоскости выходных ВАХ, по которой движется РТ в процессе изменения входного сигнала, называется нагрузочной линией или нагрузочной характеристикой.

Нагрузочные линии, как правило, различны для постоянной и переменной составляющих тока, протекающих в выходной цепи активного элемента.

Нагрузочную линию каскада для постоянного тока и напряжения, определяющуюся сопротивлением выходной цепи постоянному току, называют нагрузочной линией постоянного тока. Нагрузочную линию постоянного тока используют при расчете каскадов предварительного усиления для определения положения исходной рабочей точки.

Рассмотрим пример построения нагрузочной характеристики на выходных ВАХ биполярного транзистора, включенного в схему усилительного каскада (рисунок 2.21).

Рисунок 2.21

Исходными данными для построения нагрузочной линии постоянного тока служат напряжение питания выходной цепи E_К и сопротивление выходной цепи постоянному току (сопротивление резистора R_к в схеме, приведенной на рисунке 2.21). При этом ток в выходной цепи I_К и напряжение между выходными электродами транзистора U_кэ связаны соотношением

. (2.47)

Записанное выражение является уравнением нагрузочной линии постоянного тока. По сути, если нагрузка усилителя является линейной, оно представляет собой уравнение прямой. Поэтому для построения нагрузочной линии достаточно получить координаты двух крайних точек. Первая точка с координатами (Е_К, 0) в системе координат (U_КЭ, I_К), может быть получена, если в (2.46) приравнять нулю ток коллектора I_К (точка А на рисунке 2.22). Второй будет точка В (с координатами (0, I_Кмакс)) на вертикальной оси, для получения которой приравнивают нулю напряжение U_КЭ. При этом ток в цепи коллектора будет максимальным, равным

. (2.48)

Соединив точки А и В, получим нагрузочную линию постоянного тока (а так как она прямолинейна, ее нередко называют нагрузочной прямой постоянного тока).

Рисунок 2.22 – Нагрузочные линии постоянного и переменного тока

Изменение сопротивления нагрузки каскада приводит к изменению угла наклона нагрузочной прямой. Вчастности, на переменном токе параллельно резистору R_к включается резистор R_н, что приводит к уменьшению общей нагрузки каскада и, соответственно, к увеличению максимального тока коллектора транзистора (прямая CD на рисунке 2.22). При изменении напряжения питания каскада E_К и поддержании неизменным сопротивления нагрузки нагрузочная прямая перемещается вправо или влево вдоль горизонтальной оси без изменения угла наклона.

Согласно записанному ранее определению, РТ при различных значениях входного (базового) тока транзистора может занимать разное положение на нагрузочной прямой. В рассматриваемом примере ИРТ (точка О на нагрузочной прямой постоянного тока, рисунок 2.22) выбрана на середине нагрузочной характеристики. Ее положение характеризуется током I_К0 и напряжением U_КЭ0 покоя выходной цепи, которые соответствуют некоторым току I_Б0 и напряжению U_БЭ0 покоя входной цепи транзистора (рисунок 2.23).

Рисунок 2.23 – Положение ИРТ на входной ВАХ транзистора