Усилительный каскад должен содержать транзистор, источник электрической энергии и вспомогательные элементы. Во входную цепь включается источник сигнала, а в выходную – нагрузка. В дальнейшем будем описывать источник сигнала в виде генератора с напряжением er и внутренним сопротивлением Rr, а нагрузку – резистором RN .
На рис. 4.16 приведена схема усилительного каскада с ОЭ.
Полярность источника питания EДо обеспечивает работу транзистора в активном режиме. Резисторы RБ і RДо задают требуемые постоянные составляющие токов в цепях транзистора и постоянные напряжения на его электродах – рабочую точку транзистора. От выбора рабочей точки зависит усиление каскада, КПД, искажения сигнала. Для того, чтобы источник сигнала и нагрузка не влияли на режим работы транзистора по постоянному току, включены разделительные конденсаторы C1 и C2, имеющие в рабочем диапазоне частот малые сопротивления.
В рассматриваемой схеме постоянные составляющие токов и напряжений определяются следующими выражениями:
Будем считать, что источник сигнала по отношению к транзистору является генератором тока МеніГ ≈МеніГmsinωt, де МеніГm= ЕГm/ RГ. Тогда полный входной ток транзистора можно определить:
ЯБ = ЯБ(0) + МеніГmsinωt. (4.13)
Сопротивление нагрузки – RН>> RДо.
Для описания работы транзистора воспользуемся семейством выходных характеристик (рис. 4.17) МеніДо= е(МеніБ,вкэ).
Рис. 4.17
Учитывая, что характеристика резистора RДо подчиняется закону Ома, получим МеніДо= (Едо -uКЭ)/RДо где (Едо -uКЭ) – падение напряжения на резисторе RДо. Это уравнение называется уравнением нагрузочной линии. Её график имеет вид прямой линии, проходящей через точку EДо на оси абсцисс и через точку EДо/RДо на оси ординат.
Поскольку через транзистор и RДопротекает один и тот же ток iДо, то его величина и напряжение UКЭ могут быть найдены путем решения системы уравнений:
(4.14)
Эта система уравнений может быть решена графически, путём нахождения точек пересечения нагрузочной линии с графиками выходных характеристик транзистора.
Для определения параметров режима по постоянному току примем er= 0. Тогда значения постоянной составляющей тока коллектора IДо(0) и напряжения UКЭ(0) определяются пересечением нагрузочной линии и статистической характеристики транзистора, снятой при iБ = IБ(0) – точка А (рис. 4.17).
При подаче на вход каскада напряжения er ток базы будет изменяться относительно IБ(0) по синусоидальному закону с амплитудой IБm=EГm /RГ и рабочая точка будет перемещаться по нагрузочной линии между точками B и С. Соответственно будет изменяться ток коллектора с амплитудой IKm около значения IДо(0) и напряжение на коллекторе с амплитудой UKm около значения UКЭ(0). При этом ток коллектора iДо будет находиться в фазе с током базы iБ, а выходное напряжение UКЭ в противофазе (увеличению тока базы соответствует увеличение тока коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе (рис. 4.17).
Для определения входного напряжения UБЭ необходимо воспользоваться входной характеристикой транзистора IБ = f(UБЭ) при UКЭ = UДо(0), приведенной на рис. 4.18.
Постоянному току IБ(0) соответствует постоянное напряжение UБ(0). При изменении тока базы с амплитудой IБm входное напряжение изменяется с амплитудой UБm. Обратим внимание на то, что выходное напряжение в данном каскаде (ОЭ) противофазно входному.
Определив с помощью графических построений амплитуды входных и выходных сигналов,
УВХ.m= УБm, ЯВХ.m= ЯБm, УВЫХ.m= УKm, ЯВЫХ.m= ЯKm,
можно рассчитать основные параметры усилительного каскада:
где Uвых.mХ.Х – выходное напряжение при RN→∞; Iвых.mХ.Х – выходной ток при RN = 0; η=Pвих/P0 – коэффициент полезного действия, где P0 = IДо(0)EДо – потребляемая от источника питания мощность.
Параметры усилительного каскада можно рассчитать и с помощью схемы замещения транзистора.
Для примера проведем расчёт усилительного каскада (рис. 4.16).
Составим малосигнальную эквивалентную схему, соответствующую схеме рис. 4.16.
Для этого заменим транзистор малосигнальной схемой замещения.
Для простоты примем, что сопротивления разделительных конденсаторов в рабочем диапазоне частот близки к нулю, а сопротивления RБ і RДо велики (RБ >> h11Э, RДо>> RН). Тогда схема упрощается и приобретает вид рис. 4.19.
Для токов и напряжений транзистора запишем 
УБm= годину11ЭЯБm+ годину12ЭУKm,
ЯKm= годину21ЭЯБm+ годину22ЭУKm. (4.15)
Добавим два уравнения, описывающие источник сигнала и нагрузку:
ЕГm= УБm+ ЯБmRГ,
УKm= – RНЯKm. (4.16)
Из системы уравнений (4.15) и (4.16) можно получить все расчётные формулы:
где Δh=h22Эгодину11Э-h12Эгодину21Э– определитель матрицы h-параметров.
Отметим, что для схемы ОЭ hRН<< годину11Э, годину << годину22ЭRГ і годину11Э << RГ.
Достоинство полученных с помощью схемы замещения соотношений (4.17) в том, что они применимы для любой схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ,ОК).
Источник:В.А. Нахалов,Электронные твердотельные приборы
