6.5. Робочий режим транзисторів

В підсилювальних схемах у вихідне коло транзистора поряд із джерелом живлення вмикають навантаження, а у вхідне - джерело посилюваного сигналу. На Рис. 6.16 зображена найпростіша схема підсилювача напруги низької частоти (ПНЧ) на транзисторі з СБ. В коло колектора транзистора увімкнене навантаження , а в коло емітера увімкнене джерело посилюваного сигналу . Для простоти міркувань будемо вважати, що  (під приростами можна розуміти будь-які миттєві значення посилюваного сигналу).

Рис. 6.16. Схема найпростішого підсилювача напруги низької частоти на транзисторі з СБ.

При позитивному прирості напруги в колі емітера струм емітера зросте на величину , де  – опір для змінного струму вхідного кола транзистора, увімкненого за схемою з СБ. Цей опір, як і динамічний опір напівпровідникового діода, увімкненого в прямому напрямку, відносно малий. Збільшення струму емітера викликає збільшення струму колектора:

,

де  — коефіцієнт підсилення схеми за струмом, який практично не відрізняється від , оскільки збільшення струму колектора транзистора визначається тільки струмом емітера та майже не залежить від напруги на колекторі. Отже, . Збільшення струму колектора викликає збільшення напруги на навантаженні:

,

тому коефіцієнт підсилення схеми транзистора з СБ за напругою виявляється рівним

.

З цієї формули випливає, що при   , тобто схема здійснює підсилення сигналу за напругою.

Коефіцієнт підсилення схеми транзистора з СБ за потужністю

.

Підсилювальні властивості транзисторів можна пояснити наступним чином: Як відомо, у транзисторів прирости (амплітуди змінних складових) струмів у колі колектора та емітера приблизно однакові, але струм колектора протікає під дією більшої напруги через великий опір навантаження ( ). Тому однакові прирости струмів зв'язані з різними приростами напруг .

Аналітичний вираз навантажувальної колекторної характеристики транзистора з СБ для підсилювального каскаду на опорах має такий вигляд:

.

Це рівняння прямої лінії, яка проводиться через дві крапки, відкладені на осях координат. Крапка на осі абсцис відповідає напрузі джерела живлення колектора , а крапка на осі ординат визначається рівнянням .

Побудова навантажувальної колекторної характеристики на сімействі вихідних статичних характеристик показана на Рис. 6.17. Робоча крапка (Р.К.) на навантажувальній колекторній характеристиці задається струмом емітера .

Рис. 6.17. Навантажувальна характеристика ПНЧ на транзисторі з СБ

В колекторному колі робоча крапка визначає постійні складові колекторного струму  та колекторної напруги . Робоча ділянка навантажувальної колекторної характеристики знаходиться в області активного (або підсилювального) режиму транзистора (область I на Рис. 6.17). В цій області зміни струму емітера викликають пропорційні зміни струму колектора. Активному режимові транзистора відповідають напруги  та  (для транзистора структури p‑n‑p). Знизу (на рівні некерованого струму колектора) робоча ділянка навантажувальної колекторної характеристики обмежується областю відсічки (область II). В режимі відсічки транзистор "замкнений", при цьому , .

Зверху робоча ділянка навантажувальної колекторної характеристики обмежується областю насичення (область III). В режимі насичення подальше збільшення струму емітера практично не викликає збільшення струму колектора. Значення струмів у колах транзистора, при яких він переходить у режим насичення (або виходить з нього), позначаються , ,  . При переході транзистора в режим насичення відбувається зміна знака колекторної напруги:  стає позитивним. Докладніше режим насичення транзистора буде розглянутий пізніше.

Рис. 6.18. Схема найпростішого ПНЧ на транзисторі з СЕ.

В підсилювальних схемах найчастіше використовують транзистори, увімкнені за схемою з СЕ. На Рис. 6.18 показана найпростіша схема підсилювача напруги низької частоти на транзисторі з СЕ. В цій схемі посилюваний сигнал подається в коло бази. Напруга сигналу  — це та ж напруга, що і в схемі з СБ тільки зі іншим знаком (тобто ), але вхідним струмом є не струм емітера, а струм бази, прирости якого відносно малі. Тому вхідний опір підсилювальної схеми на транзисторі з СЕ значно більший за вхідний опір схеми з СБ:

,

де

.

Коефіцієнт підсилення за напругою схеми на транзисторі з СЕ

.

При однаковому навантаженні коефіцієнти підсилення за напругою в обох схемах рівні.

Коефіцієнт підсилення за потужністю схеми транзисторі з СЕ

,

тобто у  раз більший, ніж у схеми зі спільною базою.

На Рис. 6.19, а показана навантажувальна колекторна характеристика транзистора з СЕ, яка нанесена на сімейство статичних вихідних характеристик транзистора. Дрібний масштаб характеристик не дозволяє виділити на даному малюнку область відсічки, яка, як і в схемі з СБ, визначається некерованим струмом колектора. Характеристика, знята при  (а також при ), зливається зі віссю абсцис. Область насичення транзистора, у якій збільшення струму бази не викликає помітних змін струму колектора, заштрихована. В цій області  залишається негативним, але , як і в схемі з СБ, стає позитивним. Це пояснюється тим, що в режимі насичення напруга між базою та емітером за модулем стає більшою, ніж .

а)		б)
Рис. 6.19. Ілюстрація роботи ПНЧ на транзисторі у схемі з СЕ
а — навантажувальна колекторна характеристика; б — навантажувальна вхідна характеристика.

На Рис. 6.19, б показана навантажувальна вхідна характеристика транзистора, яка у підсилювальному режимі практично збігається зі статичною характеристикою, яка знята при .

Часові діаграми на Рис. 6.19 ілюструють роботу підсилювального каскаду на транзисторі з СЕ. Напруга на базі  та струм  визначають положення робочої крапки на навантажувальній колекторній характеристиці, тобто визначають  та . Зміни вхідної напруги (під дією вхідного сигналу) викликають зміни вхідного струму (струм бази). При зміні струму бази змінюється вихідний струм (струм колектора) і в колекторному колі виділяється підсилений сигнал, який через розділювальний конденсатор надходить на вихід каскаду (див. Рис. 6.18, 14‑19).

Наприклад, якщо , , , , , , то для такої схеми (див. Рис. 6.19):

; ; ;

.

Схема підсилювача на транзисторі з СК розглядається в спеціальних курсах.

Схеми на напівпровідникових транзисторах, володіють деякими специфічними особливостями: