Методы анализа транзисторных усилительных каскадов (стр. 2 из 3)
RH, CH- эквивалентная нагрузка.
2. Анализ статического режима работы
Статический режим работы характеризуется отсутствием на входе усилителя гармонического сигнала (
). Через транзистор и другие элементы схемы протекают постоянные токи, обусловленные действием ЕК. Если учесть то обстоятельство, что сопротивление конденсатора для постоянного тока бесконечно велико, то все емкости в схеме на рисунке 6.10 можно заменить разрывом цепи. Тогда эквивалентная схема усилительного каскада для статического режима примет вид, как на рисунке 6.11. 
Рис.6.11. Эквивалентная схема усилителя в статическом режиме
Выбранный режим работы обеспечивают включенные в схему резисторы, для правильного выбора которых необходимо знать цепи протекания постоянного тока в схеме.
Цепь тока базы: + ЕК®RФ®RБ1® база-эмиттер ® - ЕК® + ЕК.
Цепь делителя: + ЕК®RФ®RБ1®RБ2® - ЕК® + ЕК.
Цепь тока коллектора: + ЕК®RФ®RК® коллектор-база-эмиттер ®RЭ®® - ЕК® + ЕК.
В этой схеме базовый вывод транзистора питается от низкоомной цепи RБ1, RБ2 (базовый делитель), которая задает постоянное напряжение на базе
В. Для стабилизации режима работы ток делителя IД необходимо выбирать в 3 - 10 раз больше тока базы: 
(6.54)Поскольку величина RФ выбирается таким образом, чтобы URф £ 0,1ЕК, неравенство (6.54) можно переписать в виде
(6.55)Для стабилизации режима работы необходимо также выбирать сопротивление в коллекторной цепи транзистора по условию
. (6.56)Для кремниевых транзисторов малой и средней мощности, если постоянный ток коллектора колеблется в пределах
= (0,5 - 50) мА, напряжение UБЭ» 0,6 В.При этом постоянный ток эмиттера необходимо выбирать больше амплитуды переменного тока в нагрузке ImН:
(6.57)Выполнив эти условия, нестабильность напряжения DUБЭ или тока DIБ будет практически не оказывать влияния на основные характеристики усилительного каскада, а коэффициент усиления постоянного напряжения KUП не превысит
. (6.58)При фиксированных значениях ЕК потенциал базы практически не зависит от тока базы IБ, т.е. от свойств конкретного транзистора.
Поэтому схема такого усилительного каскада носит название схемы с фиксированным базовым смещением.
Теперь рассмотрим как работает цепь эмиттерно-базовой стабилизации тока коллектора, которую еще называют температурной стабилизацией режима. Эта цепь состоит из RБ1, RБ2, RЭ.
Допустим, что температура увеличилась. Это приведет к увеличению тока коллектора, тогда
IКÞIЭÞ (URэ = RЭIЭ) Þ (UБЭ = URб2 - URэ) ¯ÞIБ¯ÞIК¯ÞÞIК»const.
Так как сопротивления базового делителя RБ1, RБ2 от температуры не зависят, то ток делителя IД = const, следовательно, URб2 = const.
Для количественной оценки стабилизации применяют коэффициент нестабильности, который приближенно можно вычислить по формуле:
, (6.59)где
.Обычно КН = (1,5 - 6). Для данной схемы он может составить КН = (3 - 6).
Вышеприведенные формулы и рассуждения соответствуют линейному (активному) режиму работы транзистора, поэтому при их практическом применении следует убедиться в том, что транзистор не находится в состоянии насыщения.
3. Анализ динамического режима работы
При рассмотрении динамического режима полагаем, что статический режим обеспечен, на вход усилительного каскада (Рис.6.10) подано гармоническое напряжение с частотой w:
Считается, что режим работы транзистора - малосигнальный (фактически линейный), т.е. сигнальные значения выходных токов DIВЫХ и напряжений DUВЫХ малы по сравнению с их значениями IВЫХ и UВЫХ в исходной РТ.
При малосигнальном режиме работы транзистора взаимосвязи и взаимозависимости между его токами и напряжениями определяются постоянными коэффициентами, не зависящими от уровня сигналов (малосигнальными параметрами). Основное применение находит система h-параметров:
(6.60)где IВХ, IВЫХ, UВХ, UВЫХ - комплексные амплитуды сигнальных токов и напряжений.
h11 имеет смысл входного сопротивления база-эмиттер (при коротком замыкании входной цепи), для современных транзисторов составляет около 1 кОм; h12 - коэффициент обратной связи по напряжению (при разомкнутой входной цепи), характеризует внутреннюю связь между выходной и входной цепями транзистора, является безразмерной величиной, очень мал по величине (порядка 10-3); h21 - коэффициент передачи тока базы (при коротком замыкании входной цепи, характеризует усилительную способность усилительного элемента, совпадает с коэффициентом b транзистора, который входит в паспортные данные транзистора и обозначается h21Э), также величина безразмерная; h22 - выходная проводимость транзистора (при разомкнутой входной цепи), зависит от угла наклона выходной характеристики транзистора. Величина, обратная h22, называется выходным сопротивлением транзистора: rВЫХ = 1/h22, типовое значение которого составляет около 10 кОм.
Существенным отличием усилительных приборов от пассивных элементов и цепей является их свойство однонаправленности передачи сигналов, которое может быть охарактеризовано неравенством |h21| >> |h12|.
Входное гармоническое напряжение (Рис.6.10) через CЭ прикладывается к участку база-эмиттер транзистора и вызывает изменения тока базы, который в свою очередь вызывает изменения коллекторного тока. Таким образом в составе коллекторного тока появляется переменная составляющая с частотой входного гармонического воздействия и амплитудой
. Источником этой составляющей является транзистор. Учитывая, что сопротивление емкостей СЭ, СФ, СР для переменного напряжения с частотой w ничтожно малы, можно представить схему замещения усилительного каскада по переменному току (Рис.6.12). 
Рис.6.12. Схема замещения усилителя по переменному току
В этой схеме с целью упрощения не показаны сопротивления базового делителя, фильтра и в цепи эмиттера.
Цепь прохождения переменной составляющей тока коллектора:
.Так как сопротивлениями емкостей СЭ, СФ, СР можно пренебречь, то резисторы RК и RН оказываются включенными по переменной составляющей параллельно и на них создается падение напряжения
. (6.61)В свою очередь
.Теперь формулу 6.61 можно переписать в следующем виде:
.Выходное напряжение оказывается в
(6.62)раз больше входного. В этом и состоит эффект усиления. Также необходимо подчеркнуть, что выходное напряжение оказывается сдвинуто по фазе относительно входного напряжения на 180°, на что указывает знак "минус" в формулах.
Анализ свойств различных схемных построений осуществляют на основе соотношений и положений теории четырехполюсника и эквивалентных схем каскадов (Рис.6.13).
Рис.6.13. Эквивалентная схема каскада
При этом УЭ рассматривают в виде четырехполюсника, к выходным клеммам которого 2-2` подключена нагрузка RН, а к входным 1-1` - источник сигнала с ЭДС ЕС и сопротивлением ZС, а для анализа используют известные методы расчета электрических цепей.
Принципы приведенных расчётов могут быть распространены и на случаи, когда условия малосигнальности не выполняются (если отклонения DIВЫХ, DUВЫХ превышают 20 - 30% от IВЫХ, UВЫХ в исходной РТ). Необходимо использовать усредненные значения h-параметров, под которыми понимают полусуммы их значений, отвечающих крайним отклонениям выходных токов и напряжений, наблюдаемых в процессе усиления сигналов.