Работа схемы с общим эмиттером

Для лучшего понимания работы транзистора рассмотрим схему транзистора с общим эмиттером, которая показана на рис 4.9. Подадим на вход схемы сначала постоянное напряжение величиной близкое к 0,6 В с тем, чтобы задать постоянный ток коллектора небольшой величины порядка единиц мА. Напряжение на выходе схемы будет равно

U_вых = U_кэ = U_п – I_кR_к. (4.5)

Таким образом, мы зададим режим работы схемы по постоянному току.

Теперь подадим последовательно с постоянным напряжением 0,6 В малое синусоидальное напряжение dUвх. В результате изменения синусоидального напряжения напряжение на входе будет увеличиваться или уменьшаться относительно 0,6 В. Это приведет к изменению тока базы и, следовательно, тока коллектора. При увеличении входного напряжения увеличивается ток коллектора, а напряжение на коллекторе транзистора, т.е. на выходе схемы согласно уравнению 4.5 будет уменьшаться. При уменьшении входного напряжения наоборот токи базы и коллектора уменьшаются, а напряжение на выходе схемы увеличивается. Таким образом, напряжение на выходе изменяется в противофазе к входному напряжению.

Следует заметить, что выходное напряжение изменяется относительно постоянного напряжения на коллекторе, которое определяется постоянным током коллектора – током покоя. В свою очередь ток покоя коллектора задается постоянным напряжением Uбэ = 0,6В. Переменные составляющие сигналов представляют собой полезный сигнал, постоянные составляющие токов и напряжений схемы определяют режим работы транзистора по постоянному току так называемую рабочую точку.

Более наглядно процесс прохождения сигнала в схеме можно рассмотреть с помощью графо-аналитического метода. Задача состоит в следующем: необходимо построить график выходного сигнала, если известен входной сигнал. Построение выходного сигнала графоаналитическим методом показано на рис.4.10. В верхней части рисунка представлены передаточная и выходные характеристики транзистора, построенные в одном масштабе по току коллектора. В нижнем левом углу показан график входного сигнала, представляющий собой сумму постоянного напряжения величиной 0,6 В, задающего рабочую точку транзистора и полезный синусоидальный сигнал, который изменяется относительно постоянной составляющей (синяя линия). Постоянный сигнал определяет положение рабочей точки на передаточной характеристике транзистора – точка А.

Чтобы найти выходной сигнала, надо определить изменение тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер во времени. Для определения двух неизвестных необходимо иметь два уравнения. Одно уравнение 4.5 задано в аналитическом виде, а другое задано графически в виде семейства выходных характеристик. Такую систему уравнений целесообразно решать графическим способом. Для этого построим прямую, определяемую уравнением 4.5, на графиках выходных характеристик транзистора. Строим по двум точкам. При U_кэ = 0, I_к = U_п / R_к, а при I_к = 0, U_кэ = U_п. Через найденные точки проводим прямую, которая называется нагрузочной прямой.

Теперь на нагрузочной прямой можно отобразить рабочую точку А, как показано на рис.4.10. При изменении токов и напряжений движение осуществляется вдоль нагрузочной прямой относительно рабочей точки А. При увеличении входного сигнала, увеличивается ток коллектора транзистора и движение осуществляется вверх относительно рабочей точки. Напряжение U_кэ при этом уменьшается. При уменьшении входного напряжения ток коллектора уменьшается, а напряжение U_кэ увеличивается. Выходной сигнал показан на нижнем правом графике синим цветом. Стрелками на графиках показана последовательность построения точек выходного сигнала для моментов времени t₀, t₁, t₂, t₃ и t₄.

Из проведенных построений можно сделать следующие выводы:

1) График выходного сигнала представляет собой синусоиду, амплитуда которой значительно больше амплитуды входного сигнала. Следовательно, схема представляет собой линейный усилитель электрических сигналов.

2) Выходной сигнал изменяется в противофазе выходному.

3) Выходной сигнал изменяется относительно постоянного значения U_кэА, которое определяется режимом работы транзистора по постоянному току.

В этом случае говорят, что схема работает в линейном режиме или в режиме малого сигнала.

Если на вход подать относительно большой сигнал (на графике показан сиреневым цветом), то транзистор будет периодически входить в режим насыщения или отсечки, т.е. будет полностью открыт, или полностью закрыт. В результате появляются нелинейные искажения. На графике выходного сигнала будут срезаны вершины синусоиды. Этот случай соответствует нелинейному режиму работы транзистора или режиму большого сигнала.

 

Режим насыщения характеризуется током коллектора насыщения I_кн и напряжением коллектор-эмиттер насыщения U_кэн. Минимальное напряжение насыщения для транзисторов малой мощности равно примерно 0,1 – 0,2 В. Транзистор входит в режим насыщения, когда напряжение U_кэ < U_бэ ≈ 0,7 В. В режиме насыщения ток коллектора транзистора имеет максимальное значение и не зависит от тока базы. При увеличении тока базы ток коллектора остается неизменным. Ток коллектора насыщения определяется только внешними элементами, подключенными к транзистору

I_к = I_кн = (U_п – U_кэн) / R_к ≈ U_п / R_к.

 

В режиме отсечки транзистор закрывается, ток базы и коллектора практически равен нулю и напряжение на выходе будет равно напряжению питания.

Режим работы большого сигнала используется для построения ключевых схем. В ключевых схемах транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях: в полностью открытом (режим насыщения) или полностью закрытом (режиме отсечки). Ключевые схемы управляются импульсными входными сигналами. В этом случае говорят, что транзистор работает в ключевом или в импульсном режиме.