КС < 1 и т.д.) можно объяснить наличием 100 %-ой отрицательной обратной связи по напряжению последовательной по входу, как и в усилителе на биполярном транзисторе, включённом с общим коллектором.

Наличие отрицательной ОС позволяет существенно расширить частотную характеристику каскада и уменьшить нелинейные искажения. Верхняя граница полосы пропускания ограничивается входной динамической ёмкостью С0, определяемой по такой же методике, как и для каскада с общим эмиттером. Величина этой ёмкости находится по формуле

С0 = СЗС + СЗИ (1 − К) + СМ .

(3.51)

Ёмкость монтажа СМ соизмерима с ёмкостью транзистора, поэтому учёт её в данном случае необходим.

Схему с общим стоком часто называют истоковым повторителем за то, что сигнал на выходе каскада практически не отличается от входного ни по амплитуде, ни по фазе, ни по форме (нелинейные искажения здесь минимальны).

3.3.Режимы работы активных элементов

3.3.1.Общие положения

Как известно, активные элементы не могут работать без внешнего источника, чью энергию они преобразовывают в энергию полезного сигнала. Поэтому даже в отсутствие сигнала через активные элементы протекают токи, а на их электродах существуют вполне определённые напряжения. Эти токи и напряжения задают рабочую точку активного элемента. Таким образом, рабочая точка описывает состояние активного элемента при отсутствии сигнала. Обычно все постоянные напряжения измеряются относительно земли. Схема каскада на биполярном транзисторе, представленная на рис. 3.22, позволяет считать, что рабочая точка описывается следующими параметрами: I0Б, U0Б, I0К, U0К.

94

Первая пара определяет координаты рабочей точки на входной характеристике, а вторая – на выходной характеристике транзистора (рис. 3.23).

Для коллекторной цепи транзистора можно записать следующее уравнение:

E0 = U0K + I0K RK , (3.52)

являющееся уравнением нагрузочной прямой по постоянному току. Если транзистор полностью открыт и напряжение на нём равно нулю, то всё напряжение Е0 оказывается приложенным U0К = 0. При этом ток I0К будет равен

I0K = E0

R K

Е0

RБ RK I0K

C1 I0Б VT C2

R1

U0K R2

	U0Б
Е1	I0Э

Рис. 3.22

к сопротивлению RК, а напряжение

. (3.53)

Если транзистор полностью заперт (I0К = 0), напряжение на нём равно

U0К = Е0 .

(3.54)

Нагрузочная прямая 1 (рис. 3.23) по постоянному току (при отсутствии сигнала) проходит через точки с координатами, задаваемыми уравнениями

(3.53) и (3.54).

Нагрузочная прямая по переменному току 2 (рис. 3.23) отличается от нагрузочной прямой по постоянному току 1, так как для переменного тока нагрузкой в резисторном каскаде (см. рис. 3.22) является сопротивление RН, которое находится как параллельное соединение сопротивлений RК и R2. Эта прямая проходит через рабочую точку. На оси токов она отсекает отрезок I0К + U0К/RН, а на оси напряжений – U0К + I0КRН, где RН - сопротивление нагрузки по переменному току.

95

		IБ	IK
	IБ	iБ1	IK	2		iБ1
						IБМ
IБМ		IКМ
t	I0Б	t	I0K			I0Б
		iБ2				1
		UБ				iБ2UK
		uБ		U0K	URK	E0
		UБМ			UKM	uK
		UБМ
		t		UKM	t
		а			б
			Рис. 3.23

Характеристики, представленные на рис. 3.23, помогают правильно выбрать рабочую точку, продемонстрировать процесс прохождения сигнала со входа на выход усилительного каскада, позволяют определить его энергетические параметры и при некоторых дополнительных построениях дают возможность рассчитать графическим методом нелинейные искажения, возникающие в каскаде. Однако из-за больших разбросов параметров и вольтамперных характеристик биполярных транзисторов точность таких расчётов невелика. Поэтому в последнее время графические построения чаще применяются для качественного показа происходящих процессов и почти не используются для их количественного анализа.

3.3.2. Режим А

Режимом А называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи протекает в течение всего периода сигнала. При этом рабочая точка выбирается на участке, который можно рассматривать как линейный для заданной амплитуды входного сигнала (рис. 3.23). Форма сигнала на выходе каскада, работающего в режиме А, сравнительно слабо отличается от формы сигнала на его входе. Как видно из рис. 3.23, амплитуда базового тока IБМ не может быть больше постоянного тока I0Б. В свою очередь амплитуда кол-

96

лекторного тока IКМ не превышает величину I0К. Средний ток, потребляемый коллекторной цепью из источника питания IСР, практически не зависит от амплитуды усиливаемого сигнала (благодаря малым нелинейным искажениям и достаточно полной симметрии выходного тока относительно I0К).

Мощность, потребляемая коллекторной цепью от источника питания Р0, определяется постоянным током I0К и ЭДС Е0. Часть этой мощности PК рассеивается на коллекторе транзистора, а оставшаяся часть Р2 выделяется в нагрузке в виде полезного сигнала. Таким образом:

Р0 = РК +Р2 .

(3.55)

При отсутствии сигнала на входе мощность, отдаваемая в нагрузку, также равна нулю РН = 0, и вся потребляемая от источника питания мощность выделяется на коллекторе, что необходимо учитывать при расчёте каскадов, работающих в режиме А. Транзистор для такого каскада должен выбираться с мощностью рассеивания на коллекторе не ниже мощности Р0. Иначе транзистор будет перегреваться в паузах между сигналами.

Зависимость указанных мощностей от уровня входного сигнала представлена на рис. 3.24. Мощность, потребляемая из источника питания

Р0 = Е0I0K,

(3.56)

не зависит от уровня входного сигнала и представлена на рис. 3.24 в виде горизонтальной прямой линии. Мощность, отдаваемая в нагрузку:

	U	MK	I	MK		U2
Р2 =					=	MK	,	(3.57)
		2
						2RH

квадратично зависит от амплитуды выходного и входного напряжения. Мощность, рассеиваемая на коллекторе РК, определяется как разносить между Р0 и Р2. Эта мощность изменяется с изменением входного напряжения по закону, обратному закону изменения Р2.

В случае использования режима А в мощном усилительном каскаде большое значение приобретает коэффициент полезного действия (КПД), равный

97