Принцип работы усилителя на биполярных транзисторах

   Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
   Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
   Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора. Одна из таких схем усилителя показана на рисунке.

 
В этой схеме нагрузкой усилителя является резистор R_K, а используя резистор R_б, задают необходимый ток базы транзистора. Если режим работы транзистора задан (при этом часто говорят, что задана рабочая точка на характеристиках транзистора), становятся известными ток базы и напряжение U_БЭ, а сопротивление резистора R_б, обеспечивающего этот ток, можно определить по формуле:
R_б =(G_K-U_БЭ)/I_Б.
Так как U_БЭ обычно составляет не более 0,2...0,3В для германиевых транзисторов и 0,6...0,8 В — для кремниевых,  а напряжение G_K измеряется единицами или даже десятками вольт, то U_БЭ<<G_K,
и можно записать:
R_б ≈G_K/I_Б.   
   Из выражений следует, что независимо от типа транзистора VT ток его базы будет постоянным: I_Б = G_K/R_б. Поэтому такая схема получила название схемы с общим эмиттером (ОЭ) и фиксированным током базы.
   Режим работы транзистора в усилительном каскаде при постоянных токах и напряжениях его электродов называют исходным, или режимом покоя.
   Включение нагрузки в коллекторную цепь транзистора приводит к падению напряжения на сопротивлении нагрузки, равному произведению I_KR_K.
   В результате напряжение, действующее между коллектором и эмиттером Uкэ транзистора, оказывается меньше, чем напряжение G_K источника питания на величину падения напряжения на сопротивлении нагрузки,    т. е.:
U_КЭ=G_K-I_KR_K.   
   Если эту зависимость отобразить графически на семействе статических выходных характеристик транзистора, то она будет иметь вид прямой линии. Для ее построения достаточно определить всего две принадлежащие ей точки (так как через две точки можно провести только одну прямую). Каждая точка должна быть задана двумя координатами: I_K и U_КЭ.
   Задавшись конкретным значением одной из координат, определяют вторую координату, решая уравнение U_КЭ=G_K-I_KR_K. Прямая, построенная в соответствии с уравнением на семействе статических выходных характеристик, транзистора, называется нагрузочной прямой.
   Нагрузочная прямая, показанная на рисунке (а), построена для случая, когда G_K=10В и R_К=200 Ом.

1-я точка: =0;U_КЭ=G_K—0R_K=G_K=10 В;
2-я точка: I_K =30 мА; U_КЭ=10—30-10^3-200=10—6=4 В.

   Если в исходном режиме (режиме покоя) ток базы равен 2 мА, этот режим будет определяться точкой A, лежащей на нагрузочной прямой в месте пересечения ее со статической выходной характеристикой, полученной при I_БО=2 мА. При этом I_КО=20 мА; U_КЭO=5,8 В. Если перенести точку A на семейство входных характеристик (рис., б), можно найти U_БЭО. Оно равно 0,25 В.
   При подаче на вход усилителя переменного напряжения с амплитудой 50 мВ (0,05 В) на оси напряжений входных характеристик относительно напряжения U_БЭО=0,25 В откладывают по обе стороны отрезки, соответствующие напряжению 0,05 В, и из их концов восстанавливают перпендикуляры к оси U_БЭ до пересечения со статической характеристикой, на которой расположена точка А, обозначающая режим покоя усилителя. В точках пересечения перпендикуляров с характеристикой проставляют буквы В и С. Таким образом, при поступлении на вход переменного напряжения режим работы будет уже определяться не точкой А, а  ее перемещениями между точками В и С. При этом ток базы изменяется от 1 до 3 мА. Другими словами, переменное напряжение на входе усилителя приводит к появлению переменной составляющей в его входном токе — токе базы. В данном примере амплитуда переменной составляющей тока базы, как видно из рисунка, равна 1 мА.
   Точки B и С можно перенести на семейство выходных характеристик. Они будут находиться в местах пересечения нагрузочной характеристики со статическими, полученными при токах базы, равных 1 и 3 мА. Из этого рисунка, видно, что в режиме с нагрузкой появилась переменная составляющая коллекторного напряжения. Иначе, коллекторное напряжение теперь не остается постоянным, а изменяется синхронно
с изменениями входного напряжения. Причем изменение коллекторного напряжения ΔU_КЭ=7,5—4,3=3,2В оказывается больше изменения входного напряжения ΔU_БЭ=0,3—0,2=0,1В в 32 раза; т. е. получено усиление входного напряжения в 32 раза.
   Поскольку напряжение источника питания G_K постоянное, изменение коллекторного напряжения равно изменению напряжения на резисторе коллекторной нагрузки, т. е.ΔU_КЭ = ΔI_КR_К. Из этого выражения видно, что чем больше сопротивление резистора R_К, тем сильнее изменяется на нем напряжение и тем больше будет усиление. Однако увеличивать сопротивление резистора R_K можно лишь до некоторого предела, превышение которого может привести даже к снижению усиления и появлению больших искажений усиливаемого сигнала.
   В усилителе, схема которого приведена на верхнем рисунке, режим работы транзистора определяется током базы, который устанавливается резистором R_б. Режим работы транзистора можно также установить, подав на его эмиттерный переход напряжение с делителя R1R2.

 Ток делителя I_Д, протекающий через резисторы R1 и R2, вызывает на сопротивлении резистора R2 падение напряжения, которое подается на эмиттерный переход транзистора и смещает его в прямом направлении. Это напряжение определяется в основном соотношением сопротивлений резисторов R1,R2 и протекающим через них током I_Д и почти не зависит от типа транзистора. Поэтому такую схему иногда называют схемой с фиксированным напряжением смещения.