6.5.1.   Каскад с ОЭ

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по мощности. В простейшей схеме усилительного каскада с ОЭ с одним источником питания (рис. 6.16) коллектор транзистора подключен через резистор Rк к источнику питания Ек, входной сигнал подается на базу транзистора относительно общей точки. Выходной сигнал снимается с коллектора, относительно той же заземленной точки.

Подпись:  
Рис. 6.16. Схема усилительного каскада с ОЭ
Конденсаторы Cp1 и Cp2  играют роль разделительных элементов. Разделительный конденсатор Cp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Cp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ.

Для нормальной работы любого усилителя необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на транзисторе. Этот режим называют статическим или режимом покоя усилительного каскада. Постоянные токи и напряжения в цепях усилительного элемента (УЭ), соответствующие этому режиму называют токами и напряжениями покоя. Они определяют на входных и выходных статических характеристиках УЭ точку покоя (ТП). На рис. 6.17 показана работа каскада усиления при неправильно выбранной рабочей точке покоя.

Подпись:  
Рис. 6.17. Работа каскада усиления при неправильно выбранной 
рабочей точке покоя
Резистор Rб (см. рис. 6.16) в цепи базы обеспечивает выбор рабочей ТП на характеристиках транзистора (см. рис. 6.17) и определяет режим работы каскада постоянному току. Значение сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

.

Цепь протекания постоянных токов в этой схеме:

1) ток эмиттера Iэп протекает по цепи общий провод, «эмиттер – база» транзистора, затем разделяется на ток базы Iбп и ток коллектора Ikп;

2) Iбп протекает через резистор Rб и источник питания Ек;

3) ток коллектора Ikп протекает через КП транзистора, резистор Rк и источник питания Ек.

Приведенная схема получила название схемы с фиксированным током базы. Схема с фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, большое сопротивление Rб (десятки килоом) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Но этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры. Кроме того, большой разброс и нестабильность коэффициента передачи (β) даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма не устойчивым при замене транзистора.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рис. 6.18). В этой схеме резисторы R1 и R2, подключенные параллельно источнику питания Ек, составляют делитель напряжения. Сопротивления делителя определяется из соотношений:

Подпись:  

Рис. 6.18. Схема каскада с ОЭ с фиксированным 
напряжением смещения на базе

;                    .

Ток делителя (Iд) обычно выбирают в пределах:

.

При введении делителя повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения (Uбэп). Вместе с тем ток делителя не следует выбирать слишком большим из соображений экономичности, поскольку чем больше ток Iд тем более мощным должен быть источник питания (Eк).

Так как внутреннее сопротивление источника питания мало, можно считать, что R1 и R2 включены параллельно друг другу и параллельно вх
одному сопротивлению транзистора по переменному току. Поэтому необходимо, чтобы

.

То есть делитель, образованный резисторами R1 и R2 должен обладать достаточно большим сопротивлением (приблизительно несколько килоом). Иначе входное сопротивление каскада окажется очень малым.

В зависимости от режима работы усилителя по постоянному току и значения входного усиливаемого сигнала различают следующие классы (или режимы) усиления: А, В, АВ, С, Д.

Режим А – это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение всего периода входного сигнала. В режиме А амплитуда переменной составляющей выходного тока не может превышать тока покоя в статическом режиме. Он характеризуется малыми нелинейными искажениями и низким КПД, поэтому его используют в КПУ и маломощных выходных каскадах (рис. 6.19, б).

В режиме В (рис. 6.19, в) ток через транзистор протекает в течение половины периода входного синусоидального сигнала, а при отсутствии входного сигнала он равен нулю. Обычно этот режим используют в двухтактных схемах усилителей (в однотактных большие нелинейные искажения). Для уменьшения уровня нелинейных искажений используют промежуточный режим АВ, который отличается от режима В наличием постоянной составляющей в статическом режиме (обычно 5 – 10 % от максимального тока при заданном входном сигнале). Режим АВ также используется в двухтактных схемах (рис. 6.19, в, штриховая линия).

В режиме С ток через транзистор протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала. Этот режим используется в мощных резонансных усилителях, в которых нагрузкой является колебательный контур (рис. 6.19, г).

Режим Д (или ключевой) – это режим, при котором транзистор находится в одном из двух состояний: запертом (режим отсечки) или открытом (режим насыщения).

Таким образом, при отсутствии переменного сигнала на входе усилителя в цепи коллектора протекает постоянный ток (Iкп). Для выходной цепи источника питания Ек можно записать:

Uкэп = Ек – IrпRк.

Так как напряжение источника питания постоянно, то это равенство выполняется при любых мгновенных значениях тока коллектора (iк):

Uкэ = Ек – iкRк

Последнее уравнение называют уравнением линии нагрузки по постоянному току. Линию нагрузки проводят на семействе выходных характеристики транзистор с ОЭ между точками с координатами:

Uкэ = 0;            ;

Ik = 0;              Uкэ = Ек.

Точка покоя (А) определится, как пересечение линии нагрузки с характеристикой, соответствующей базовому току покоя Iбп (рис. 6.20).

Точка покоя базовой цепи находится на входной характеристике iб = f(uбэ) и имеет координаты (Uбэп, Iбп) (рис. 6.20).

Подпись:  

Рис. 6.20. Входная характеристика транзистора
Разрешенная область надежной работы транзистора (рис. 6.21) ограничивается максимально допустимыми током коллектора (Iк max), напряжением (Uкэ max) и рассеиваемой мощностью (Pк max). Режим транзистора по постоянному току выбирают так, чтобы под действием максимального входного сигнала ни один из этих параметров не был превышен даже на короткое время.

Линия нагрузки (рис. 6.21) ограничивается точками 1 и 2. За пределами участка 1 – 2 процесс усиления сопровождается значительными нелинейными искажениями. Выше точки 1 наступает насыщение транзистора, и он перестает управляться током базы. Ниже точки 2 транзистор оказывается в режиме отсечки, т.е. также перестает управляться.

Подпись:  

Рис. 6.21.  График разрешенной области надежной работы транзистора