Рабочий режим биполярного транзистора

  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 есть r<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 с общим 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".