Совокупность постоянных напряжений и токов в схеме усилителя формирует так называемую рабочую точку транзистора. Выбор и задание рабочей точки является важной составляющей проектирования транзисторных схем. В зависимости от типа усилителя и усилительного элемента режим схемы по постоянному току может быть различным. Для линейных усилителей малой и средней мощности важнейшим па­раметром является уровень нелинейных искажений. Как уже бьшо сказано, нелинейность вольтамперных характеристик транзистора слабо проявляется при малых сигналах, однако правильный выбор рабочей точки позволяет минимизировать нелинейные искажения.

Проведем графический анализ работы резисторного усилителя (рис. 9), считая для простоты R_э = 0. Как в динамическом, так и в статическом режимах все напряжения и токи транзистора оказываются взаимосвязанными. Для выходной цепи можно записать уравнение Кирхгофа

.                                                                     (9)

Совместно с семейством статических характеристик транзистора

оно образует систему уравнений. Графическое решение этой системы проводится на плоскости коллекторных характеристик (рис. 11). Уравнение (9) на этой плоскости представляет собой прямую (ее называют нагрузочной); она пересекает оси координат в точках Е_к и Е_к/ R_к. Если при отсутствии сигнала на входе мы выбираем такое значение Е_б0, что ток базы будет I_б0 = I_бэ, то рабочая точка А определяет постоянные напряжение между коллектором и эмит-гером U_кэ0 и ток коллектора I_к0.

При изменении базового тока под действием сигнала точка пересечения статических характеристик с нагрузочной прямой передвигается по этой прямой около точки А. При этом изменяются ток коллектора i_к и напряжение u_кэ. Изменения последнего и являются выходным усиленным сигналом.

Знание статических характеристик конкретного транзистора позволяет с помощью графического метода рассчитать усилитель.

Варьируя напряжение источника Е_б0, а значит и I_б0, можно изменять положение рабочей точки. Если Е_б0 выбрать достаточно большим, точкой покоя может оказаться точка В. Транзистор здесь находится вблизи порога насыщения, его ток велик, а напряжение на нем мало. Увеличение тока базы под действием сигнала выводит рабочую точку в область насыщения, и возникает ограничение тока коллектора и выходного сигнала (рис. 11). Говорят, что происходит верхняя отсечка тока. Если рабочая точка находится в положении С, то, наоборот, при отрицательном приращении сигнала транзистор оказывается запертым, что также приводит к отсечке тока, теперь уже нижней. Отсечки тока следует рассматривать как один из видов нелинейного искажения сигнала в усилителе. Очевидно, что правильный выбор режима по постоянному току соответствует расположению точки покоя в средней части нагрузочной прямой. Следует заметить, что режим с отсечками возникает в любом усилителе при большом уровне входного сигнала, поэтому должны предприниматься специальные меры для исключения такой возможности.

Цепь питания транзистора

Для обеспечения выбранного режима транзистора по постоянному току в схему усилителя вводятся специальные элементы, образующие цепь питания. При построении этих цепей учитывается значительная зависимость постоянных токов транзистора от внешних факторов и особенно от температуры окружающей среды. Указанная нестабильность настолько велика, что, как правило, вызывает неприемлемые нелинейные искажения сигнала.

Аналогичная ситуация возникает при смене транзисторов за счет разброса их параметров. Для устранения нежелательных эффектов применяют различные способы стабилизации, которые в значительной степени определяют особенности транзисторной схемотехники.

Для стабилизации рабочей точки транзисторов наиболее часто применяется схема, показанная на рис. 12. Она содержит делитель напряжения на резисторах R₁, R₂, задающий постоянное напряжение на базе относительно общего провода.

В цепь эмиттера включен уже знакомый нам резистор R_э. Сопротивления резисторов R₁, R₂ выбираются такими, чтобы ток, протекающий через них, во много раз превышал ток базы I_б0 В этом случае потенциал базы U_б0 почти не зависит от нестабильностей тока I_б0. Ток коллектора I_к0 в этой схеме изменяется очень мало, что объясняется стабилизирующим действием резистора R_э. Действительно, при температурных или других отклонениях рабочего тока транзистора напряжение на сопротивлении R_э (то есть потенциал эмиттера) также изменяется. В результате напряжение на управляющем переходе база - эмиrтер U_бэ = U_б0- R_эI_э0 изменяется так, что препятствует исходному отклонению тока.

Получим формулы для расчета цепи питания транзистора. Распределение постоянных напряжений в коллекторной цепи задается для выбранных рабочей точки (I_к0, U_кэ0) и напряжения питания Е_к уравнением

.                                                            (10)

Величину сопротивления резистора R_э можно выбрать из следующих соображений. Изменение тока эмиттера при фиксированном потенциале базы эквивалентно изменению сопротивления эмиттерного перехода r_бэ0 постоянному току. Поэтому для стабилизации постоянного тока эмиттера следует выполнить условие R_э >> r_бэ0. Чем больше сопротивление R_э, тем выше эффект стабилизации. Однако при этом заданный ток транзистора будет создавать на сопротивлении большое падение напряжения

,                                                                (11)

и для питания схемы потребуется источник более высокого напряжения Е_к. Поэтому при выборе Rэ обычно исходят из компромиссного сообра­жения: U_э0 ≈ (0,1  0,2)Е_к.

Сопротивление R_к, как мы знаем, определяет усилительные свойства, поэтому будет правильным оценивать его по формулам (5) или (6) для заданного коэффициента усиления. Если величины сопротивлений не удовлетворяют (10), то необходимо скорректировать рабочую точку, или повторить выбор R_к и R_э. Ток делителя по указанным выше причинам выбирается, исходя из I_д ≈ (3 10)I_б0. Тогда сопротивления делителя рассчитываются по формулам

,                                        (12)

где U_бэ0 - напряжение смещения открытого перехода база - эмиттер, составляющее для кремниевых транзисторов (0,6÷0,7) В (рис. 4,а).

Если считать стабилизацию рабочей точки искомым полезным результатом, то уменьшение коэффициента усиления сигнала (см. (8)) является не всегда желаемым следствием. Чтобы, сохраняя стабилизацию режима транзистора по постоянному току, не ухудшить усилительные свойства схемы, параллельно резистору R_э, включают конденсатор С_э. Емкость конденсатора С_э должна быть настолько большой, чтобы его сопротивление для самой низкой частоты wx из спектра усиливаемого сигнала было во много раз меньше сопротивления резистора R_э, то есть

.                                                                       (13)

Разделительные конденсаторы С_р не относятся собственно к цепям питания, они отделяют последние от цепей переменного тока. Разделительный конденсатор на входе усилителя предупреждает возможное попадание на базу транзистора постоянного напряжения со стороны источника сигнала. Аналогично, постоянная составляющая напряжения на коллекторе не попадает в цепь нагрузки следующего каскада. Чтобы переменный ток сигнала не создавал значительного напряжения на С_р и все управляющее напряжение поступало бы на базу, сопротивление конденсатора для самых низких частот должно быть очень малым:

.                                                                    (14)

Здесь R_вх - входное сопротивление усилителя. Оно будет отличаться от z_вх (см.(7)) в меньшую сторону, если учесть шунтирующее влияние делителя R₁, R₂. На входе усилителей низкой частоты обычно ставят конденсатор ёмкостью до нескольких десятков микрофарад. Этот конденсатор может не включаться в схему, если известно, что источник сигнала не содержит постоянного напряжения.