III. Определение исходной рабочей точки и рабочего участка

По построенным нагрузочным характеристикам можно произвести расчет режима усиления: выбрать область неискаженного усиления, определить напряжение и ток смещения (E_Э, I_Э(0)), допустимую амплитуду сигнала (u_Эm), входную Р_вх и выходную Р_вых мощности, коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности (K_i , K_u , K_p).

Для получения неискаженного усиления необходимо использовать линейные участки характеристик.

В транзисторах искажения возникают не только за счет нелинейности выходных характеристик (связь между током коллектора I_K и током эмиттера I_Э достаточно линейна), но в значительной мере за счет нелинейности входных характеристик.

Выбор области неискаженного усиления целесообразно начинать с входных характеристик, выделив на них участок, который с достаточной точностью можно считать линейным (рис.11). Исходную рабочую точку А^/ выберем посередине этого участка, для чего во входной цепи транзистора с помощью батареи смещения Е_Э (рис.1)должен быть создан ток смещения I_Э^//= I_Э(0) . Перенесем эту точку не семейство выходных характеристик транзистора (рис.12) - точка А (точка пересечения линии нагрузки с той статистической характеристикой, которая соответствует входному току I_Э^//= I_Э(0)).

Рис.11. Входная характеристика транзистора в схеме с общей базой и эпюры эмиттерного напряжения U_Э и эмиттерного тока I_Э

В отсутствие сигнала (U_Э=0) напряжение на эмиттерном переходе U_ЭБ0=E_Э и ток эмиттера I_Э^//= I_Э(0) , что на входной характеристике соответствует точке А^/ (рис.11).

Исходная рабочая точка А на выходных характеристиках (рис.12) определяет постоянные составляющие коллекторного тока I_K(0) и коллекторного напряжения U_K(0) . Действительно, отрезок АК(рис.12) соответствует постоянной составляющей коллекторного тока I_K^//= I_K(0) . Из треугольника АКε катет Kε = AK∙ ctgα = I_K(0) ∙ R_K = U_R0 – постоянная составляющая напряжения на нагрузке. Отрезок ОК= Оε - Кε = E_K- U_R0= U_K0 - постоянная составляющая коллекторного напряжения.

Пусть на входе действует переменное напряжение u_Э, изменяющееся по гармоническому закону с низкой частотой и амплитудой u_Эm , то есть u_Э= u_Эm ∙sin(ωt).

I_K^///

I_K^//

I_K^/

I_K

I_K

J_Km

I_K(0)

.

.

.

.

N

B

A

C

U_K

t

0

0

.

.

.

.

L

M

ε

α

I_Э^/V> I_Э^///> I_Э^//> I_Э^/

I_Э^///

I_Э^//=I_Э(0)

I_Э^/

D

0

.

K

U_K^/

U_K^//

U_K^///

E_K

U_R

t

U_R0

U_Rmax

U_R0

U_Rmin

U_K0

U_R0

u_Rm

.

t

0

Рис.12. Выходные характеристики транзистора в схеме с общей базой и эпюры коллекторного тока I_K , напряжения на нагрузке U_R и коллекторного напряжения U_K

Мгновенное напряжение на эмиттерном переходе алгебраически суммируется с напряжением Еэ, и рабочая точка перемещается по входной характеристике между точками В^/ и С^/, соответствующими экстремальным значениям входного напряжения u_Э :

U_ЭБmax=E_Э + u_Эm (точка B^/),

U_ЭБmin=E_Э - u_Эm (точка C^/).

Отрезок между точками В^/ и С^/ на входной характеристике (рис.11) является рабочим участком, его без большой погрешности считаем отрезком прямой линии.

В соответствии с изменением мгновенного значения напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ в фазе с ним изменяется и ток эмиттера I_Э:

I_Э= I_Э(0)±J_Э,

то есть в пульсирующем токе I_Э кроме постоянной составляющей эмиттерного тока I_Э(0) появилась переменная составляющая J_Э частоты поданного на вход сигнала, амплитуду которой можно определить, отметив проекции точек В^/ и С^/ на ось ординат: J_Эm^/= I_Э^///- I_Э^// или J_Эm^//.= I_Э^//- I_Э^/ . В нашем случае J_Эm^//=J_Эm^/ .

J_Эm = (J_Эm^/+J_Эm^//)/2 - усредненное значение амплитуды переменной составляющей тока J_Э, если рабочий участок входной характеристики В^/ С^/ не является достаточно прямолинейным.

Мощность, затрачиваемая источником сигнала на входе, .

Определим рабочий участок на семействе выходных характеристик, для чего перенесем точки В^/ и С^/, соответствующие границам линейного участка, на выходные характеристики.

В точке В^/ I_Э= I_Э^/// - на выходных характеристиках ей соответствуют точка пересечения линии нагрузки со статической выходной характеристикой, снятой при I_Э^/// (точка В на рис.12); в точке С^/ I_Э= I_Э^/ - на выходных характеристиках ей соответствует точка пересечения линии нагрузки со статической выходной характеристикой, снятой при I_Э^/ (точка С на рис.12). Отрезок ВС является рабочим участком на семействе выходных характеристик. Он должен быть расположен в области активного режима транзистора, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменению току эмиттера (∆I_K~∆I_Э), чтобы не было искажения формы выходного сигнала.

Так как ток коллектора I_K≈I_Э (α=0,98 и более), то изменения тока I_K в выходной цепи следуют за изменениями входного тока I_Э. Рабочая точка на выходных характеристиках при этом перемещается по нагрузочной линии между точками В и С. При положительном полупериоде напряжения u_Э возрастают токи I_Э и I_K, возрастает напряжение на нагрузке U_R , а коллекторное напряжение U_K уменьшается в соответствии с уравнением: E_K=I_K∙R_K+U_K . И наоборот, при отрицательном полупериоде u_Э уменьшаются токи I_K и I_Э, уменьшается напряжение на нагрузке U_R , а коллекторное напряжение U_K возрастает (см. временные диаграммы U_R=f(t) и U_K=f(t) на рис.12). Проекции точек В и С на ось ординат (I_K ) определяют, в каких пределах изменяется ток коллектора при подаче сигнала (I_K^/// и I_K^/ - экстремальные значения I_K на рис.12), а проекции этих точек на ось абсцисс (U_K ) –пределы изменения коллекторного напряжения U_K (U_K^/ и U_K^///) и напряжения на нагрузке (U_R^/// = I_K^/// ∙ R_K и U_R^/ = I_K^/ ∙ R_K ), т.е. определяют амплитуды переменных составляющих J_Km, u_Rm (u_Km):

J_Km= I_K^///-I_K^// =I_K^//-I_K^/

(катеты ВL и АМ на рис.12, это и есть амплитуда переменной составляющей J_K);

u_Rm=U_Rmax-U_R0 =U_R0-U_Rmin .

Можно u_Rm определить из треугольника АМС. MC = AM∙ctgα = J_Km ∙ R_K = u_Rm.

Амплитуда выходного сигнала

u_Km=U_K^//-U_K^/=U_K^///-U_K^//.

Выходным сигналом является переменная составляющая коллекторного напряжения (именно она через разделительный конденсатор снимается с коллектора и подается на вход следующего каскада для дальнейшего усиления). При этом |u_Km| =| u_Rm| (на какую величину U_R возрастает, на ту же величину U_K уменьшается). Это видно на эпюрах рис.12.

Если нагрузку R убрать из коллекторной цепи, то при подаче входного сигнала u_Э все токи (I_Э и I_K ) начнут изменяться во времени, а коллекторное напряжение U_K=Е_K изменяться не будет, значит, не будет и выходного сигнала.

Выходная мощность Рвых (мощность, отдаваемая в нагрузку переменной составляющей тока коллектора J_K):

.

Она пропорциональна площади треугольника АМС на рис.12 и мала по сравнению с потребляемой от источника питания в коллекторной цепи мощностью Ро = Ек ∙ I_K(0) = АК* *0ε, которая пропорциональна площади прямоугольника 0NDε (рис.12).

КПД коллекторной цепи . В режиме неискаженного усиления η<0,25 (обычно единицы процентов).

Бóльшая же часть мощности идет на разогрев резистора (протекает через него постоянная составляющая тока I_K(0) , поэтому рассеивается на нем мощность P_R== I_K(0)* U_R0 ) и транзистора (Рк = Ро – Р_R ).

Рабочие параметры транзистора (K_i, K_u, K_p) - величины, связывающие малые изменения токов и напряжений транзистора при наличии нагрузки в выходной цепи. K_i – коэффициент усиления по току, K_u - коэффициент усиления по напряжению, K_p - коэффициент усиления по мощности.

Для рассмотренного примера (схема с общей базой)

где R_Э - сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода. Для повышения K_u надо увеличивать R_K и Ек.

Схема с общей базой усиления по току не дает , т.к. J_K<J_Э, она дает большое усиление по напряжению (во сколько раз сопротивление R_K , стоящее в выходной цепи, обладающей большим сопротивлением R_вых, больше сопротивления входной цепи, обладающей малым сопротивлением R_вх, - вот почему дословный перевод "транзистор" обозначает "преобразователь сопротивлений") и такое же усиление по мощности (может достигать нескольких тысяч).

Входное сопротивление в схеме с общей базой

(сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, единицы  десятки Ом).

Выходное сопротивление в схеме с общей базой

(сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода, десятки  сотни кОм и более).

Решим вопрос с фазой выходного сигнала.

Рис.13. Упрощенная схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с общей базой

При отсутствии входного сигнала uвх=u_Э протекают постоянные токи I_Э(0) на входе и I_K(0) на выходе. Коллекторный ток I_K(0), протекая через резистор R_K, создает на нем падение напряжения U_R0 = I_K(0) ∙ R_K указанной на рис.13 полярности. Напряжение на коллекторном переходе U_K0 = E_K - U_R0 тоже постоянно.

При подаче входного сигнала u_Э (полярность u_Э на рис.13 соответствует положительной полуволне) I_Э и I_K возрастут, то есть к постоянным составляющим токов эмиттера I_Э(0) и коллектора I_K(0) добавляются переменные составляющие токов J_Э и J_K, которые имеют такие же направления, что и постоянные составляющие этих токов. Переменная составляющая тока коллектора J_K , протекая через нагрузку сверху вниз, создает на нагрузке (R_K) переменную составляющую напряжения u_R такой же полярности, что и постоянная составляющая U_R(0) . Выходной сигнал снимается с коллектора через конденсатор большой емкости и поступает на вход следующего каскада ( Rвх ) для дальнейшего усиления, то есть на входе следующего каскада переменное u будет той же полярности, что и на входе нашего каскада.

Таким образом, схема с общей базой фазу не переворачивает.

Однако по переменной составляющей резистор Rвх оказывается включенным параллельно резистору нагрузки R_K , то есть сопротивление нагрузки по переменному току (обозначим его r ) не равно сопротивлению нагрузки по постоянному току (обозначим его R ). Для нашего случая R = R_K , а , то естьr<R .

В таких случаях строят две линии нагрузки. Сначала по постоянному току (), чтобы определить на ней исходную рабочую точку, затем через эту точку строят линию нагрузки по переменному току () и на ней определяют рабочий участок, по которому перемещается рабочая точка при подаче сигнала (рис.14).

Рис.14. Работа транзистора как усилителя (сопротивление нагрузки по переменному току r не равно сопротивлению нагрузки по постоянному току R)

Недостатком схемы с общей базой является низкое входное сопротивление, затрудняющее согласование ступеней усилителя.

Рабочий режим транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Упрощенный усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме собщим эмиттером, показан на рис.15.

Рис.15. Усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером

Сопротивление нагрузки R_K здесь тоже включено в коллекторную цепь, напряжение смещения Е_Б и напряжение усиливаемого сигнала u_Б - в цепь базы. Входным током в этой схеме является ток базы, следовательно, входное сопротивление будет значительно выше (сотни Ом  единицы кОм), чем в схеме с общей базой, т.к. переменное напряжение на входе в обоих случаях одно и то же, а ток базы существенно ниже тока эмиттера.

Рис. 16 Определение входного сопротивления транзистора: а) по схеме с общим эмиттером, б) по схеме с общей базой.

Эта схема дает не только усиление по напряжению (Ku = u_R/u_Б имеет примерно такую же величину, как и в схеме с общей базой), но и усиление по току, поскольку выходной ток J_K значительно больше входного тока J_Б:

(обычно десятки).

Эта схема дает самое большое (из трех схем включения) усиление по мощности, т.к. дает усиление и по напряжению, и по току (Kp= Ki ∙ Ku ).

Выходное сопротивление транзистора по схеме с общим эмиттером меньше, чем в схеме с общей базой (обычно десятки кОм), т.к. выходные характеристики транзистора при I_Б=const имеют больший наклон к оси коллекторных напряжений, чем выходные характеристики при Iэ=const (рис.17).

Рис.17. Статические выходные характеристики транзистора:

а) по схеме с общим эмиттером, б) по схеме с общей базой

Схема с общим эмиттером переворачивает фазу (выходной сигнал находится в противофазе с входным) – это видно по рис.14 и по эпюрам входного и выходного напряжения рис.18,19 (сначала на входе действует положительная полуволна входного напряжения, затем - отрицательная).

Схема с общим эмиттером получила на практике самое широкое распространение благодаря своим качествам - более высокому входному сопротивлению и более высокому усилению.

Рис.18.Входная характеристика транзистора в схеме с общим эмиттером и эпюры напряжения и тока на входе

Рис.19. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером и эпюры напряжения на нагрузке U_R (наклонная штриховка), коллекторного напряжения U_K (горизонтальная штриховка) и коллекторного тока I_K (вертикальная штриховка)

Возможно использование транзистора также в схеме с общим коллектором (рис.20)

Рис.20. Усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором

В данном случае сопротивление нагрузки R включено в цепь эмиттера, поэтому выходное напряжение, снимаемое с нагрузки R, является частью входного напряжения u_ВХ (часть u_ВХ падает на эмиттерном переходе), то есть усиление по напряжению здесь отсутствует (K_u близок к единице).

.

Усиление же по току здесь несколько выше, чем в схеме с общим эмиттером (такого же порядка), т.к. выходным током здесь является ток эмиттера J_Э:

.

Усиление по мощности меньше, чем по другим схемам включения.

Выходной сигнал по схеме с общим коллектором находится в фазе с входным сигналом (см. полярности входного и выходного сигналов на рис.20).

Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) находит применение для согласования, т.к. отличается высоким входным сопротивлением.

В заключение остановимся на роли температурной нестабильности рабочего режима транзистора. Приведенные в справочнике характеристики относятся к температуре +20^оС. При изменении температуры характеристики изменяют свой вид, все параметры транзистора являются температурно-зависимыми. Особенно большой температурный дрейф имеют выходные характеристики в схеме с общим эмиттером (рис.21).

.

Рис.21. Температурная нестабильность статических характеристик и рабочего режима транзистора в схеме с общим эмиттером

При использовании транзисторного усилителя в широком диапазоне температур необходимо помнить, что исходная рабочая точка может переместиться из точки А, например, в точку А^/, что может полностью изменить режим работы транзистора и по постоянному току и по переменному, это может привести к уменьшению выходной мощности и значительному увеличению нелинейных искажений. Поэтому необходимо применять температурную стабилизацию усиления.

Проведенное рассмотрение схем транзисторных усилителей и их работы носит упрощенный характер (важно было показать, как транзистор "дышит" в схемах).

Практические расчеты усилителей низкой частоты подчиняются ряду требований - определенный уровень нелинейных искажений, ограничение температурной нестабильности, допустимый разброс параметров транзисторов и т.д. Более подробно эти вопросы изучаются в курсе "Аналоговые устройства".

22