2.Усилительные каскады на транзисторах

2.1.Выбор режима работы транзистора

Усилители электрических сигналов часто выполняют на биполярных или полевых транзисторах. Для работы любого усилителя необходимо при отсутствии входного сигнала установить соответствующий режим работы транзистора по постоянному току. В зависимости от выбранного режима работы усилителя по постоянному току различают следующие режимы его работы: режим А; режим В; промежуточные режимы, например АВ.

Режим А — это режим работы усилителя, при котором ток через транзистор протекает в течение всего периода входного сигнала. В режиме А амплитуда переменной составляющей выходного тока не может превышать тока покоя в статическом режиме. Режим А характеризуется малыми нелинейными искажениями и низким КПД, поэтому его используют в усилителях предварительного усиления и маломощных выходных каскадах.

В режиме В ток покоя равен нулю и ток через транзистор протекает в течение лишь половины периода входного синусоидального сигнала. Обычно этот режим использует в двухтактных схемах усилителей, так как при синусоидальном входом сигнале в однотактном усилителе в режиме В возникает значительно нелинейные искажения. Для уменьшения уровня нелинейных искажений использует промежуточный режим АВ, который отличается от режима В наличием постоянной составляющей в статическом режиме.

Рассмотрим простейшую схему усилителя на транзисторе, включенным по схеме с общим эмиттером (рис. 2.1). Схема содержит два источника питания. Один из них включен в цепь базы транзистора и задает входной базовый ток. Второй источник является источником питания коллекторной цепи.

Рис. 2.1. Схема усилительного каскада по схеме ОЭ

Так как в цепи коллектора включен резистор R_К, то изменение тока коллектора будет определяться не только изменениями тока базы, но и изменениями напряжения U_кэ

U_кэ = Е_к – I_кR_к ,

или

I_к = Е_к/R_к – U_кэ/R_к . (2.1)

Полученное выражение представляет собой уравнение отрезка прямой, или линии нагрузки. Линию нагрузки можно построить по двум точкам на семействе выходных характеристик транзистора (см. рис. 2.2).

1. U_кэ = Е_к при I_к = 0,

2. I_к = Е_к / R_к при U_кэ = 0.

На линии нагрузки выбирается рабочая точка 0. Для определения положения рабочей точки необходимо найти координаты пересечения линии нагрузки с выходной характеристикой транзистора, соответствующей определенной величине тока базы.

Рабочая точка с координатами I_ок, U_ок выбирается исходя из режима, в котором должен работать транзистор, а также из заданных амплитуд выходного напряжения U_m и связанного с ним nока I_m. Так если усилительный каскад должен работать в режиме А, то при малом входом сигнале (несколько милливольт) рабочую точку транзистора выбирает, исходя из соображения экономичности, а также получения от каскада требуемого усиления.

Рис. 2.2. Построение линии нагрузки

При работе с большими сигналами рабочая точка выбирается ближе к середине линии нагрузки так, чтобы обеспечить получение требуемой амплитуды выходного напряжения при допустимых нелинейных искажениях и по возможности высоком КПД. Режим работы транзистора выбирается при этой таким образом, чтобы удовлетворялись неравенства U_ок>U_m, и I_ок> I_m. Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности, рассеиваемые на транзисторе, не превышали предельно допустимых значений:

U_о + U_m < U_{макс д};

I_о + I_m < I_{макс д};

U_оI_o < Р_{макс д}

При работе усилителя в режиме В рабочую точку выбирают в нижней части линии нагрузки. При этом I_m < I_{макс д}; U_m < U_{макс д}; где I_{макс д}U_{макс д}, — предельнодопустимые значения тока и напряжения транзистора (справочные данные).

При подключении нагрузки к усилителю через разделительный конденсатор, линия нагрузки пойдет круче, так как ее наклон будет определяться величиной сопротивления =R_н||R_к (см. рис. 2.2).

Выбрав рабочую точку на линии нагрузки — точка 0 на рис.2.2 определяем ток покоя I_oк, напряжение между коллектором и эмиттером — U_oк и величину сопротивления резистора R_к, т.к. наклон линии нагрузки определяется величиной этого сопротивления

tg = I_к/R_к = –1/R_к

Начальное положение рабочей точки на линии нагрузки» как указывалось выше, определяется величиной базового тока I_бо во входной цепи.