Проектирование и расчет транзисторных усилительных каскадов: от физических основ до практической реализации

В современном мире, пронизанном сложными электронными системами, от смартфонов и компьютеров до медицинского оборудования и космических аппаратов, способность к усилению электрических сигналов является одной из фундаментальных и наиболее критичных функций. Транзисторные усилительные каскады — это не просто компоненты, а краеугольные камни аналоговой электроники, позволяющие преобразовывать слабые электрические импульсы в сигналы достаточной мощности для дальнейшей обработки или использования. Их повсеместное применение в радиотехнике, системах связи (GPS, GSM, WiFi) и специализированных областях подчеркивает актуальность глубокого понимания принципов их работы, проектирования и расчета.

Данная работа ставит своей целью не просто изложение теоретических основ, но и создание детального, научно-обоснованного методического пособия, которое позволит студентам технических вузов освоить полный цикл создания транзисторных усилителей. От физики полупроводников до тонкостей частотной коррекции и обеспечения устойчивости — мы пройдем путь от абстрактных концепций до практических инженерных решений. Мы углубимся в физические процессы, лежащие в основе работы транзисторов, рассмотрим разнообразие схем включения и классов усиления, освоим методы расчета и стабилизации рабочей точки, а также изучим способы борьбы с искажениями и обеспечения стабильной работы на различных частотах. Эта работа станет надежным путеводителем в мире транзисторных усилительных каскадов, необходимой для успешного курсового проектирования и дальнейшего профессионального роста.

Общие принципы работы и классификация усилительных каскадов

Определение и назначение усилительного каскада

В основе любой современной электронной системы лежит необходимость обработки сигналов, и зачастую эти сигналы слишком слабы, чтобы быть непосредственно использованными. Здесь на сцену выходит транзисторный усилительный каскад — специализированное электронное устройство, главной задачей которого является увеличение амплитуды изменяющихся электрических сигналов (напряжения или тока) без существенного искажения их формы. По сути, это «сердце» любой радиоприемной или передающей аппаратуры, аудиосистемы или измерительного прибора.

Каждый усилительный каскад представляет собой сложный ансамбль, но его ядро формируют два ключевых элемента: усилительный элемент и резистор, задающий динамический режим работы. В качестве усилительного элемента выступает полупроводниковый прибор — биполярный или полевой транзистор, способный управлять значительным током или напряжением на выходе под действием малого сигнала на входе. Резисторы, конденсаторы и источники питания, в свою очередь, формируют необходимую среду для работы транзистора, определяя его режим по постоянному току (рабочую точку) и обеспечивая передачу усиленного сигнала к следующему каскаду или нагрузке.

Классификация транзисторов по принципу действия

Мир транзисторов удивительно разнообразен, но все они делятся на два основных семейства, исходя из фундаментального принципа управления током: биполярные транзисторы (БТ) и полевые (униполярные) транзисторы (ПТ).

Биполярные транзисторы (БТ) получили свое название благодаря тому, что их работа обусловлена движением носителей заряда обоих знаков — как электронов, так и дырок. Это трехэлектродные полупроводниковые приборы, содержащие два взаимодействующих p-n перехода, которые позволяют усиливать электрические колебания по току, напряжению или мощности. Управление в БТ осуществляется током, подаваемым на базу, что контролирует значительно больший ток через коллектор. В чем практическая выгода для инженера? Это позволяет создавать мощные усилители с высоким коэффициентом усиления, но требует внимательного подхода к стабилизации рабочей точки.

В отличие от них, полевые (униполярные) транзисторы (ПТ) оперируют носителями заряда только одного знака, что и дало им название «униполярные». Принцип их действия основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала с помощью поперечного электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к затвору. Иными словами, в ПТ ток стока регулируется напряжением затвор-исток, а не током, как в БТ. Это различие определяет ряд уникальных характеристик и областей применения для каждого типа транзисторов.

Схемы включения транзисторов и их основные свойства

Для того чтобы транзистор выполнял свою усилительную функцию, его необходимо определенным образом подключить к входной и выходной цепям. Эта конфигурация называется схемой включения. Классификация схем включения транзисторов традиционно базируется на названии общего контакта, который используется одновременно как во входной, так и в выходной цепях. Для биполярных транзисторов выделяют три основных схемы:

• Схема с общим эмиттером (ОЭ): Наиболее распространенная схема благодаря своим универсальным усилительным свойствам. Она обеспечивает наибольшее усиление по мощности, значительное усиление как по току, так и по напряжению. Характерной особенностью ОЭ является инверсия фазы выходного сигнала на 180° относительно входного. Эта схема активно применяется в высокочастотных усилителях, системах GPS, GSM, WiFi, а также в качестве входного каскада в более сложных многокаскадных усилителях.
• Схема с общей базой (ОБ): Отличается высоким усилением по напряжению, но усиление по току близко к единице. Обладает низким входным и высоким выходным сопротивлением, а также хорошими частотными характеристиками, что делает ее востребованной в высокочастотных усилителях. Фазовый сдвиг между входом и выходом отсутствует.
• Схема с общим коллектором (ОК), или эмиттерный повторитель: Обеспечивает усиление по току, но коэффициент усиления по напряжению близок к единице (несколько меньше единицы). Главное преимущество этой схемы — высокое входное и низкое выходное сопротивления, что делает ее идеальной для буферных каскадов, согласования импедансов и работы с низкоомной нагрузкой. Фазовый сдвиг также отсутствует.

Аналогичные схемы включения существуют и для полевых транзисторов:

• Схема с общим истоком (ОИ): Схемотехнически и функционально аналогична каскаду ОЭ на биполярных транзисторах. Обеспечивает максимальный коэффициент усиления по мощности, значительное усиление по напряжению и току (для ПТ с каналом n-типа). Как и ОЭ, инвертирует фазу выходного сигнала. Ее ключевое преимущество перед ОЭ — значительно меньший уровень нелинейных искажений, что обусловлено тем, что напряжение отсечки U_отс (1–5 В) существенно больше температурного потенциала φ_т (≈ 25 мВ) биполярных транзисторов.
• Схема с общим затвором (ОЗ): Аналогична схеме ОБ. Применяется в высокочастотных усилителях благодаря широкой полосе пропускания и низкому входному сопротивлению.
• Схема с общим стоком (ОС), или истоковый повторитель: Аналогична схеме ОК. Используется для согласования сопротивлений, обладает высоким входным и низким выходным сопротивлением, а коэффициент усиления по напряжению близок к единице.

Для наглядности приведем сравнительную таблицу основных характеристик различных схем включения:

Характеристика	ОЭ (БТ) / ОИ (ПТ)	ОБ (БТ) / ОЗ (ПТ)	ОК (БТ) / ОС (ПТ)
Усиление по току (KI)	Высокое	≈ 1 (для БТ), ≈ 1 (для ПТ)	Высокое
Усиление по напряжению (KU)	Высокое	Высокое	≈ 1
Усиление по мощности (KP)	Максимальное	Среднее	Среднее (KI · KU ≈ KI)
Входное сопротивление (Rвх)	Низкое/Среднее (сотни Ом — кОм)	Низкое (десятки Ом)	Высокое (десятки — сотни кОм)
Выходное сопротивление (Rвых)	Высокое (десятки — сотни кОм)	Высокое (десятки — сотни кОм)	Низкое (десятки — сотни Ом)
Фазовый сдвиг	180°	0°	0°
Области применения	Универсальные усилители, ВЧ, НЧ, входные каскады	ВЧ усилители, буферы, каскоды	Буферные каскады, согласование импедансов

Классы усиления и режимы работы

Помимо схемы включения, крайне важным аспектом, определяющим характеристики усилительного каскада, является его класс усиления. Класс усиления определяет положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике транзистора и, как следствие, угол проводимости — ту часть периода входного сигнала, в течение которой транзистор находится в активном режиме и проводит ток. От выбора класса усиления зависят такие критически важные параметры, как коэффициент полезного действия (КПД), уровень нелинейных искажений и тепловыделение.

Рассмотрим основные классы усиления:

• Класс A: Это наиболее линейный режим работы. Рабочая точка устанавливается таким образом, что транзистор всегда находится в активном режиме, и ток через него протекает в течение всего периода входного сигнала (угол проводимости 360°).
  • Особенности: Обеспечивает минимальные нелинейные искажения, что делает его идеальным для высококачественной аудиотехники.
  • Недостатки: Низкий КПД (теоретический максимум 25% для резистивной нагрузки и 50% для трансформаторной, на практике 15-30%), высокое тепловыделение, так как транзистор постоянно потребляет значительный ток даже при отсутствии входного сигнала.
  • Применение: Используется там, где качество усиления критично, например, в маломощных предварительных усилителях и высококачественных аудиоусилителях.
• Класс B: Применяется в двухтактных схемах, где каждый транзистор усиливает только одну полуволну входного сигнала (угол проводимости 180°). Рабочая точка устанавливается на границе отсечки.
  • Особенности: Имеет значительно более высокий теоретический КПД (до 78%), а на практике около 70%. Ток покоя близок к нулю.
  • Недостатки: Основным недостатком являются так называемые кроссоверные искажения (искажения типа «ступенька»), возникающие при переходе сигнала через ноль, когда один транзистор выключается, а другой включается.
  • Применение: В основном в оконечных каскадах усилителей мощности, где требуется высокий КПД, а проблему кроссоверных искажений решают путем комбинирования с другими классами.
• Класс AB: Является компромиссным решением, призванным объединить достоинства классов А и В, минимизируя их недостатки. Рабочая точка устанавливается таким образом, что транзисторы слегка открыты даже при отсутствии сигнала, обеспечивая небольшой ток покоя. Каждый транзистор проводит ток чуть более половины периода (угол проводимости от 180° до 360°).
  • Особенности: Подача небольшого тока смещения на транзисторы эффективно устраняет кроссоверные искажения класса В. КПД выше, чем у класса А, и значительно меньшие искажения, чем у класса В.
  • Применение: Самый популярный класс усиления в бытовой и автомобильной аудиоаппаратуре благодаря оптимальному балансу между КПД, качеством звука и сложностью реализации.
• Класс C: Отличается наименьшим углом проводимости (менее 180°, часто менее 90°), что достигается установкой рабочей точки за пределами линейного участка ВАХ, глубоко в область отсечки.
  • Особенности: Обеспечивает высочайший КПД среди аналоговых классов (до 90% и выше).
  • Недостатки: Сопровождается значительными нелинейными искажениями, поскольку усиливается лишь часть входного сигнала.
  • Применение: Применяется преимущественно в резонансных усилителях радиочастот (например, в радиопередатчиках), где значительные искажения компенсируются высокодобротными LC-контурами на выходе, которые выделяют только основную гармонику усиленного сигнала.

Выбор класса усиления является фундаментальным проектным решением, которое определяет всю дальнейшую схемотехнику, выбор компонентов и конечные характеристики усилителя.

Физические основы и параметры транзисторов

Физические процессы в биполярном транзисторе (БТ)

Понимание работы биполярного транзистора начинается с глубокого погружения в физические процессы, происходящие на уровне p-n переходов и в объеме полупроводника. В активном усилительном режиме биполярный транзистор (будь то n-p-n или p-n-p) включается таким образом, что эмиттерный переход (между эмиттером и базой) смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход (между базой и коллектором) смещен в обратном направлении (закрыт). Именно такая конфигурация обеспечивает управление большим коллекторным током с помощью малого тока базы.

Четыре ключевых физических процесса определяют функционирование БТ:

1. Инжекция: Это процесс ввода неосновных носителей заряда из одной области полупроводника в другую через p-n переход. В n-p-n транзисторе, при прямом смещении эмиттерного перехода, электроны из сильно легированного эмиттера (n-типа) инжектируются в слабо легированную базу (p-типа), становясь там неосновными носителями. Аналогично, в p-n-p транзисторе дырки инжектируются из эмиттера в базу. Эффективность инжекции — способность эмиттера инжектировать носители заряда в базу — является одной из важнейших характеристик транзистора.
2. Диффузия: После инжекции неосновные носители заряда (например, электроны в базе n-p-n транзистора) оказываются в области с высокой концентрацией. Под действием градиента концентрации они начинают хаотически перемещаться из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Это движение, называемое диффузией, приводит их к коллекторному переходу.
3. Рекомбинация: По мере диффузии через базу часть инжектированных неосновных носителей заряда может встретиться с основными носителями (например, дырками в базе n-p-n транзистора) и рекомбинировать, то есть исчезнуть путем взаимного аннигилирования или захвата ловушками в запрещенной зоне. Этот процесс приводит к выделению энергии (в виде тепла или света) и уменьшению числа носителей, достигающих коллектора. Для минимизации рекомбинации база транзисторов конструктивно имеет очень малую толщину, обычно не более 10 мкм. Чем меньше толщина базы и время жизни неосновных носителей в ней, тем меньше рекомбинация и тем выше коэффициент передачи тока.
4. Экстракция: Небольшое количество неосновных носителей заряда, которые не рекомбинировали в базе, достигают коллекторного перехода. Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, создаваемое им электрическое поле «вытягивает» (экстрагирует) эти неосновные носители из базы в коллекторную область. Эти носители и формируют основную часть коллекторного тока, который затем протекает через внешнюю цепь.

Таким образом, БТ действует как управляемый током переключатель или усилитель: малый ток базы (который компенсирует рекомбинацию в базе) управляет значительно большим током коллектора, который является результатом инжекции, диффузии и экстракции. В чем же ключевой нюанс для проектировщика? Высокая чувствительность к изменению температуры и малым токам базы означает, что даже незначительные отклонения могут существенно повлиять на параметры каскада, что требует обязательной стабилизации рабочей точки.

Структура и условные обозначения БТ

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из трёх чередующихся слоёв полупроводника с различным типом примесной проводимости. Эти слои образуют три вывода:

• Эмиттер (Э): Сильно легированная область, отвечающая за инжекцию носителей заряда в базу.
• База (Б): Тонкий, слабо легированный центральный слой, через который диффундируют инжектированные носители.
• Коллектор (К): Область, собирающая носители заряда из базы.

В зависимости от порядка чередования слоёв, различают два основных типа биполярных транзисторов:

• n-p-n транзисторы: Эмиттер и коллектор имеют n-тип проводимости, база — p-тип. Основными носителями заряда являются электроны.
• p-n-p транзисторы: Эмиттер и коллектор имеют p-тип проводимости, база — n-тип. Основными носителями заряда являются дырки.

Условные графические обозначения биполярных транзисторов на схемах, регламентированные ГОСТ 2.730, четко отражают их структуру и тип. Ключевым элементом обозначения является стрелка на эмиттере, которая указывает направление тока через эмиттерный переход в активном режиме и, соответственно, тип транзистора:

• Для n-p-n транзистора стрелка на эмиттере направлена от базы к эмиттеру (изнутри наружу).
• Для p-n-p транзистора стрелка на эмиттере направлена от эмиттера к базе (снаружи внутрь).

Соотношения между токами в биполярном транзисторе являются фундаментальными для анализа его работы. Согласно закону Кирхгофа для узла, ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы:

IЭ = IК + IБ

При этом ток коллектора I_К составляет примерно от 0,9 до 0,95 от тока эмиттера I_Э, что означает, что большая часть инжектированных в базу носителей достигает коллектора.

Количественно эффективность передачи тока характеризуется двумя важными коэффициентами:

• Коэффициент передачи эмиттерного тока (α): Определяется как отношение тока коллектора к току эмиттера при короткозамкнутой базе по переменному току (для постоянного тока — I_К/I_Э). Обычно α находится в пределах 0,96–0,999.
• Коэффициент передачи тока базы (β), или статический коэффициент усиления по току (h_21Э): Определяется как отношение тока коллектора к току базы (I_К/I_Б). Этот коэффициент напрямую связан с α по формуле:

β = α / (1 − α)

Значение β может варьироваться от нескольких десятков до нескольких тысяч единиц у современных высокочастотных и низкошумящих биполярных транзисторов. Именно β является ключевым параметром, характеризующим способность транзистора усиливать ток в схеме с общим эмиттером.

Принцип действия и особенности полевых транзисторов (ПТ)

В отличие от биполярных собратьев, полевые транзисторы (ПТ), как уже упоминалось, функционируют на основе использования носителей заряда только одного знака (электронов или дырок), что и послужило причиной их названия — униполярные. Отсутствие взаимодействия двух типов носителей заряда и процессов, связанных с p-n переходами в биполярных транзисторах (таких как рассасывание неосновных носителей), является ключевым преимуществом ПТ, особенно на высоких частотах.

Существуют два основных типа полевых транзисторов:

• Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET): В этих транзисторах управляющее напряжение, приложенное к затвору, изменяет ширину обедненного слоя p-n перехода, тем самым регулируя эффективное сечение токопроводящего канала и, как следствие, ток стока.
• Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы, MOSFET): Это наиболее распространенный тип ПТ. Затвор в них изолирован от канала тонким слоем диэлектрика (обычно оксида кремния). Управление током стока осуществляется путем создания электрического поля, которое индуцирует или обогащает носителями заряда канал под затвором.

Ключевым преимуществом МДП-транзисторов является их очень высокое входное сопротивление, которое может достигать феноменальных значений — 10¹⁰–10¹⁴ Ом. Это делает их незаменимыми в схемах, где требуется минимальное влияние на источник сигнала, например, во входных каскадах измерительной аппаратуры, предусилителях с высоким импедансом, а также в качестве переключателей в цифровых схемах. Высокое входное сопротивление значительно упрощает согласование со многими источниками сигнала и снижает требования к их мощности.

Эквивалентные схемы транзисторов для анализа

Реальные транзисторы — это сложные нелинейные устройства, чье поведение трудно анализировать напрямую, особенно при воздействии малых переменных сигналов. Для упрощения расчёта и анализа электрических параметров усилительных каскадов инженеры используют эквивалентные схемы. Эти схемы заменяют нелинейные процессы внутри транзистора на набор идеализированных активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, ёмкости, индуктивности) элементов, которые адекватно описывают его поведение в определённом режиме или частотном диапазоне.

Для биполярных транзисторов существует несколько типов эквивалентных схем, каждая из которых имеет свою область применения:

• Т-образная эквивалентная схема: Эта схема наиболее точно отражает физическую структуру БТ и процессы, происходящие внутри него, особенно для анализа на низких частотах и статических характеристик. Она включает в себя:
  • Дифференциальное сопротивление эмиттера (r_Э).
  • Дифференциальный коэффициент передачи тока базы (β).
  • Дифференциальное сопротивление коллектора (r_К*).
  • Генератор тока αI_Э, который моделирует управляемое инжекцией и экстракцией движение основных носителей.
  • Источник ЭДС μ_ЭКU_К, учитывающий влияние напряжения коллектор-эмиттер на ток коллектора (эффект Эрли).
  • Также в Т-схеме могут быть учтены емкости коллекторного перехода (C_Б, барьерная емкость) и эмиттерного перехода (C_Д, диффузионная емкость), которые становятся значимыми на более высоких частотах.
• h-параметрические (гибридные) эквивалентные схемы: Широко используются для описания работы транзистора на низких и средних частотах. Они удобны, так как h-параметры (h₁₁, h₁₂, h₂₁, h₂₂ или h_вх, h_обр, h_пр, h_вых) легко измеряются и часто приводятся в справочниках. Эти параметры связывают входные и выходные токи и напряжения транзистора в виде линейных уравнений.
  • Например, для схемы ОЭ h-параметры будут: h_11Э (входное сопротивление), h_12Э (коэффициент обратной связи по напряжению), h_21Э (коэффициент усиления по току β), h_22Э (выходная проводимость).
• π-образные (гибридно-π) эквивалентные схемы: Применяются для анализа на высоких частотах, где влияние межэлектродных емкостей становится доминирующим. Эти схемы включают в себя:
  • Эквивалентные сопротивления, моделирующие входное и выходное сопротивления, а также сопротивление базы.
  • Генератор тока, управляемый напряжением база-эмиттер.
  • Ключевым дополнением являются межэлектродные емкости: емкость база-эмиттер (C_БЭ), емкость база-коллектор (C_БК) и емкость коллектор-эмиттер (C_КЭ). Именно эти емкости определяют частотные свойства транзистора на высоких частотах, формируя спад коэффициента усиления и фазовые сдвиги.

Для полевых транзисторов также используются малосигнальные эквивалентные схемы, которые учитывают их униполярный характер:

• Малосигнальная эквивалентная схема ПТ содержит нелинейный источник тока I_кан, который моделирует ток стока, управляемый напряжением затвор-исток.
• Сопротивления стока (r_С) и истока (r_И), представляющие собой омические сопротивления полупроводниковых областей.
• Диоды, соответствующие управляющему переходу затвор-сток и затвор-исток (для JFET).
• Ключевой особенностью эквивалентных схем ПТ, особенно МДП-транзисторов, является то, что их входное и выходное сопротивления носят явно емкостной характер из-за изолированного затвора и наличия p-n переходов.
• Межэлектродные емкости (затвор-исток C_ЗИ, затвор-сток C_ЗС, сток-исток C_СИ) играют определяющую роль в частотных свойствах ПТ, особенно на высоких частотах. Емкость C_ЗС, усиленная эффектом Миллера, часто является доминирующей и ограничивает верхнюю частоту усиления.

Таким образом, выбор и корректное применение эквивалентных схем позволяет инженеру перевести сложную физику полупроводниковых приборов в язык линейных цепей, что значительно упрощает анализ и проектирование усилительных каскадов.

Выбор схемы включения и стабилизация рабочей точки

Значение стабильности рабочей точки

Стабильность рабочей точки транзистора — это не просто желаемое условие, а одно из основополагающих требований для получения предсказуемых и стабильных характеристик усилительного каскада.

Рабочая точка определяет постоянные составляющие токов и напряжений в транзисторе (например, I_К, U_КЭ, I_Б), и ее положение напрямую влияет на коэффициент усиления, уровень искажений и максимальную неискаженную выходную мощность. Представьте себе музыканта, который постоянно расстраивает свой инструмент во время игры. Звук будет непредсказуемым и неприятным. Аналогично, если рабочая точка усилителя «плавает», его параметры будут постоянно меняться, приводя к искажениям, снижению усиления или даже выходу из строя.

Положение рабочей точки транзистора может изменяться под воздействием целого ряда дестабилизирующих факторов:

• Изменение температуры окружающей среды: Наиболее значимый фактор.
• Изменение параметров транзистора: Это может быть вызвано старением компонента, технологическим разбросом при его производстве (при замене транзистора) или радиационным воздействием.
• Изменение напряжения источника питания: Колебания питающего напряжения напрямую влияют на токи и напряжения в схеме.
• Изменение сопротивления нагрузки: Хотя и в меньшей степени, изменение нагрузки может косвенно влиять на рабочую точку через обратные связи.

Игнорирование вопросов стабилизации неизбежно приведет к неработоспособности устройства или его деградации со временем, поэтому тщательный подход к обеспечению стабильности является одним из первых и важнейших шагов в проектировании усилительного каскада.

Влияние температуры на параметры транзистора

Температура — главный враг стабильности транзисторного усилителя. Повышение температуры окружающей среды или саморазогрев транзистора в процессе работы (особенно в мощных каскадах) приводит к значительному изменению его параметров и, как следствие, к смещению рабочей точки.

Ключевым механизмом является возрастание обратного (теплового) тока коллекторного перехода I_К0. Этот ток обусловлен генерацией неосновных носителей заряда в области p-n перехода под действием тепловой энергии. У кремниевого транзистора, например, обратный ток I_К0 удваивается при повышении температуры всего на каждые 8°C.

Увеличение I_К0 приводит к следующим последствиям:

1. Рост коллекторного тока I_К: Даже при постоянном токе базы I_Б, увеличение I_К0 напрямую увеличивает коллекторный ток. В схемах с общим эмиттером это особенно критично, так как I_К = βI_Б + (β+1)I_К0. Видно, что I_К0 усиливается в (β+1) раз, что может вызвать лавинообразное увеличение тока и, в конечном итоге, тепловой пробой транзистора.
2. Снижение входного сопротивления и смещение напряжения база-эмиттер: С ростом температуры напряжение U_БЭ, необходимое для открытия эмиттерного перехода, снижается примерно на 2–2.5 мВ/°C. Это приводит к увеличению тока базы, что, в свою очередь, еще сильнее увеличивает коллекторный ток.
3. Изменение коэффициента передачи тока β: Хотя влияние не так драматично, как на I_К0, β также увеличивается с ростом температуры, что еще больше дестабилизирует коллекторный ток.

Все эти факторы суммируются, приводя к «тепловому разгону» транзистора — процессу, когда увеличение температуры вызывает рост коллекторного тока, который, в свою очередь, увеличивает тепловыделение, что еще больше повышает температуру. Этот положительный обратный эффект может быстро вывести транзистор из строя, если не принять мер по стабилизации.

Методы стабилизации режима работы

Для борьбы с дестабилизирующими факторами и обеспечения надежной работы транзисторных усилительных каскадов разработано несколько основных методов стабилизации режима работы:

1. Термокомпенсация: Этот метод основан на включении в цепи смещения транзистора элементов, чьи параметры изменяются с температурой таким образом, чтобы компенсировать изменения характеристик самого транзистора. Например, диоды или термисторы могут быть использованы для создания температурно-зависимого напряжения смещения, которое противодействует изменению U_БЭ или I_К0.
2. Параметрическая стабилизация: Базируется на использовании специальных элементов (например, диодов, стабилитронов) в цепях смещения транзисторных каскадов, характеристики которых компенсируют изменения параметров транзистора от внешних воздействий. Например, диод, включенный в прямом направлении, имеет температурную зависимость прямого падения напряжения, схожую с U_БЭ транзистора, что позволяет эффективно стабилизировать его режим.
3. Введение цепей отрицательной обратной связи (ООС): Это наиболее универсальный и широко применяемый метод. ООС работает по принципу «саморегуляции»: если какой-либо параметр (например, ток коллектора) начинает отклоняться от заданного значения, цепь обратной связи генерирует сигнал, который действует на вход транзистора таким образом, чтобы вернуть отклонившийся параметр к исходному значению.

Наиболее распространенной и эффективной схемой, реализующей принцип ООС по постоянному току, является эмиттерная стабилизация. В этой схеме в цепь эмиттера включается резистор R_Э. В цепи базы для создания начального напряжения смещения используется делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂.

Принцип действия эмиттерной стабилизации таков:

• Предположим, температура транзистора повышается, что приводит к увеличению коллекторного тока I_К (и, соответственно, эмиттерного тока I_Э ≈ I_К).
• Увеличение I_Э вызывает увеличение падения напряжения на эмиттерном резисторе R_Э: U_Э = I_ЭR_Э.
• Поскольку напряжение на базе U_Б (определяемое делителем R₁, R₂) относительно стабильно, увеличение U_Э приводит к уменьшению напряжения база-эмиттер: U_БЭ = U_Б − U_Э.
• Уменьшение U_БЭ, в свою очередь, приводит к уменьшению тока базы I_Б, а значит, и к уменьшению коллекторного тока I_К.
• Таким образом, система автоматически противодействует первоначальному увеличению коллекторного тока, стабилизируя рабочую точку.

Эффективность эмиттерной стабилизации количественно оценивается коэффициентом стабильности S_I. Этот коэффициент показывает, во сколько раз изменение коллекторного тока I_К меньше изменения теплового тока I_К0. Иными словами, он демонстрирует, насколько хорошо схема компенсирует температурные дрейфы.

SI = ΔIК / ΔIК0

Для простейших схем с эмиттерной стабилизацией коэффициент S_I может достигать значений от 10 до 50, что указывает на значительное улучшение стабильности рабочей точки. Это означает, что если тепловой ток I_К0 увеличится, например, в 50 раз, то коллекторный ток I_К изменится всего в 1 раз.

Важно отметить, что резистор R_Э, хотя и стабилизирует режим по постоянному току, также вводит отрицательную обратную связь по переменному току, что снижает коэффициент усиления. Для предотвращения этого, резистор R_Э часто шунтируется конденсатором большой ёмкости по переменному току.

Выбор схемы включения с учетом стабильности

Выбор конкретного способа стабилизации рабочей точки, а также общая схема включения транзистора, всегда определяется конкретными требованиями, предъявляемыми к схеме усилителя.

• Схема с общим эмиттером (ОЭ): Благодаря высокому коэффициенту усиления и возможности использования эмиттерной стабилизации (с резистором R_Э) она является наиболее универсальной и стабильной для широкого круга применений. Увеличение падения напряжения на эмиттерном сопротивлении U_Э = I_ЭR_Э напрямую приводит к увеличению напряжения обратной связи и, соответственно, к стабилизации каскада.
• Схема с общей базой (ОБ): Менее чувствительна к изменению I_К0, поскольку ток коллектора в ней в основном определяется током эмиттера, который задается внешним источником. Однако ее низкое входное сопротивление может усложнить стабилизацию источника смещения.
• Схема с общим коллектором (ОК): Обладает высокой стабильностью рабочей точки благодаря глубокой отрицательной обратной связи по напряжению, что делает ее менее зависимой от температурных изменений.

В целом, при проектировании всегда ищут оптимальный баланс между коэффициентом усиления, стабильностью, уровнем искажений и сложностью реализации. Методы стабилизации позволяют значительно расширить температурный диапазон работы усилительных каскадов и повысить их надежность.

Методы расчета транзисторных усилительных каскадов

Начальный этап расчета: выбор рабочей точки

Проектирование любого усилительного каскада начинается с фундаментального шага — выбора положения рабочей точки транзистора. Это критически важный этап, поскольку рабочая точка определяет оптимальные значения постоянных составляющих токов и напряжений в цепях транзистора, при которых он будет функционировать наилучшим образом (например, обеспечивать максимальное неискаженное усиление). Неправильный выбор рабочей точки может привести к ограничению сигнала (отсечке или насыщению), высоким искажениям или даже выходу транзистора из строя.

Рабочая точка выбирается исходя из требований к усилителю (например, класс усиления А, В, АВ), параметров используемого транзистора и напряжения источника питания. Она должна располагаться в пределах активной области транзистора, вдали от областей отсечки и насыщения, а также внутри области безопасной работы (ОБР).

Для выходной цепи усилительного каскада (в частности, для схемы с общим эмиттером) можно составить основное уравнение, связывающее напряжения и токи:

UИП = IКRК + UКЭ

где:

• U_ИП — напряжение источника питания;
• I_К — постоянная составляющая коллекторного тока;
• R_К — сопротивление коллекторной нагрузки;
• U_КЭ — постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер.

Из этого уравнения можно выразить коллекторный ток:

IК = (UИП − UКЭ) / RК

Это уравнение является математическим выражением нагрузочной прямой по постоянному току, которая графически отображает все возможные комбинации I_К и U_КЭ для данной схемы и источника питания. Нахождение оптимальной рабочей точки обычно сводится к выбору такой комбинации (I_К0, U_КЭ0), которая обеспечивает наилучшие характеристики.

Графоаналитический метод расчета

Графоаналитический метод является одним из наиболее простых, наглядных и интуитивно понятных способов выбора режима работы, определения принципов усиления и расчётных параметров каскада. Его универсальность заключается в применимости для исследования любых усилительных каскадов, независимо от типа активного элемента (будь то лампы, биполярные или полевые транзисторы). Этот метод позволяет визуализировать работу транзистора и наглядно оценить влияние различных параметров на его характеристики.

Суть метода заключается в совместном построении и анализе:

1. Семейства выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора: Это набор кривых, каждая из которых показывает зависимость тока коллектора (I_К) от напряжения коллектор-эмиттер (U_КЭ) при фиксированном значении тока базы (I_Б) для БТ или напряжения затвор-исток (U_ЗИ) для ПТ. Эти характеристики являются «паспортом» транзистора.
2. Нагрузочной прямой по постоянному току: Это прямая линия, которая строится на семействе выходных ВАХ. Она определяется уравнением U_ИП = I_КR_К + U_КЭ (или его аналогом для ПТ). Точки пересечения этой прямой с осями координат:
   • При I_К = 0, U_КЭ = U_ИП.
   • При U_КЭ = 0, I_К = U_ИП / R_К.

   Рабочая точка (I_К0, U_КЭ0) транзистора находится на этой нагрузочной прямой.

3. Нагрузочной прямой по переменному току (динамической нагрузочной прямой): Эта прямая учитывает наличие конденсаторов, которые по переменному току шунтируют некоторые резисторы (например, R_Э) или подключают параллельно нагрузке другие сопротивления (например, сопротивление следующего каскада). Она имеет больший наклон, чем нагрузочная прямая по постоянному току, и проходит через рабочую точку.
4. Динамических переходных характеристик: Могут быть построены путем проецирования точек пересечения нагрузочных прямых с семейством ВАХ на оси I_вых(U_вх) или U_вых(U_вх).

С помощью графоаналитического метода можно:

• Наглядно выбрать оптимальную рабочую точку, обеспечивающую максимальный размах неискаженного выходного сигнала.
• Определить максимальные и минимальные значения токов и напряжений в каскаде при заданном входном сигнале.
• Оценить степень нелинейных искажений.
• Рассчитать статические и динамические параметры каскада, такие как сопротивления и коэффициенты усиления.

Расчет по постоянному току (статический режим)

Расчёт усилителя по постоянному току (или статический расчёт) — это первый и основополагающий этап проектирования, цель которого — выбрать и обеспечить режим работы транзистора по постоянному току. Иными словами, он позволяет установить стабильную рабочую точку (I_К0, U_КЭ0), которая будет оптимальной для усиления переменного сигнала и обеспечит минимальные искажения.

Этот расчет включает следующие этапы:

1. Выбор транзистора: На основе требуемых характеристик усилителя (мощность, частотный диапазон, напряжение питания, коэффициент усиления) выбирается подходящий тип транзистора. Учитываются его максимальные допустимые параметры (I_Кmax, U_КЭmax, P_Кmax).
2. Определение напряжения источника питания (U_ИП): Исходя из требуемой выходной мощности и напряжения, выбирается U_ИП.
3. Выбор рабочей точки:
   • Обычно U_КЭ0 выбирается примерно посередине между U_ИП и напряжением насыщения транзистора (U_КЭнас), чтобы обеспечить максимальный симметричный размах выходного напряжения.
   • I_К0 выбирается исходя из требуемой мощности и параметров транзистора.
   • Пример: Для каскада с общим эмиттером, если U_ИП = 12 В, то U_КЭ0 можно выбрать около 6 В.
4. Расчет сопротивления коллекторной нагрузки R_К: Используя уравнение нагрузочной прямой по постоянному току:

RК = (UИП − UКЭ0) / IК0

5. Расчет сопротивлений делителя смещения (R₁, R₂) и эмиттерного резистора (R_Э):
   • Для обеспечения стабильности рабочей точки используется эмиттерная стабилизация.
   • Напряжение на эмиттере U_Э0 = I_Э0R_Э. Обычно U_Э0 выбирается в пределах 10-20% от U_ИП для хорошей стабилизации.
   • Зная U_Э0, можно рассчитать R_Э = U_Э0 / I_Э0. (где I_Э0 ≈ I_К0).
   • Напряжение на базе U_Б0 = U_Э0 + U_БЭ0 (где U_БЭ0 ≈ 0.6-0.7 В для кремниевых транзисторов).
   • Ток делителя I_дел обычно выбирается в 5-10 раз больше тока базы I_Б0 = I_К0 / β.
   • R₂ = U_Б0 / I_дел
   • R₁ = (U_ИП − U_Б0) / I_дел

Важный аспект: после расчета номиналов резисторов необходимо выбрать ближайшие стандартные значения из рядов предпочтительных значений (ГОСТ 2825-67, ГОСТ 2888-80 и др.), таких как E6, E12, E24 и т.д. После выбора стандартных номиналов необходимо провести повторную проверку рабочей точки, чтобы убедиться, что она остается в допустимых пределах.

Расчет по переменному току (динамический режим)

Расчёт по переменному току (или динамический расчёт) дополняет статический, позволяя определить, как каскад будет усиливать сам сигнал, а не его постоянную составляющую. На этом этапе определяются ключевые параметры, такие как коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности, а также входное и выходное сопротивления каскада. Эти параметры критически важны для согласования каскадов между собой и с нагрузкой.

Расчет по переменному току обычно выполняется с использованием эквивалентных схем транзистора (например, h-параметрической или π-образной), где источники постоянного напряжения считаются короткозамкнутыми, а конденсаторы большой емкости (разделительные и шунтирующие) — тоже короткозамкнутыми для частот рабочего диапазона.

Основные этапы расчета:

1. Построение эквивалентной схемы по переменному току: Замена транзистора его малосигнальной эквивалентной схемой, а всех источников питания и шунтирующих конденсаторов — короткими замыканиями.
2. Определение входного сопротивления каскада (R_вх): Это сопротивление, которое «видит» источник сигнала. Оно определяет, насколько сильно каскад будет нагружать источник.
3. Определение выходного сопротивления каскада (R_вых): Это сопротивление, которое «видит» нагрузка. Оно важно для согласования с последующими каскадами или конечной нагрузкой.
4. Расчет коэффициента усиления по напряжению (K_U): K_U = U_вых / U_вх. Для каскада с общим эмиттером типичный коэффициент усиления по напряжению может варьироваться от нескольких десятков до нескольких сотен (например, 10-500).
5. Расчет коэффициента усиления по току (K_I): K_I = I_вых / I_вх. Для ОЭ-каскада K_I ≈ β.
6. Расчет коэффициента усиления по мощности (K_P): K_P = K_U · K_I = P_вых / P_вх.

Типовые параметры для каскада с общим эмиттером (ОЭ):

• Коэффициент усиления по напряжению K_U: может быть значительным, от 10 до 500 и более. Это одно из главных достоинств схемы ОЭ.
• Входное сопротивление R_вх: Обычно находится в диапазоне от сотен Ом до нескольких килоОм (например, 2.5 кОм для маломощных усилителей), что является относительно низким.
• Выходное сопротивление R_вых: Может составлять от нескольких десятков до сотен килоОм, что является относительно высоким.

Экспериментальное определение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)

Помимо теоретических расчетов, крайне важным является экспериментальное подтверждение характеристик каскада. АЧХ (зависимость коэффициента усиления от частоты) определяется опытным путем. Для этого:

1. На вход усилителя подается синусоидальный сигнал постоянной амплитуды, но изменяемой частоты.
2. Измеряются амплитуды выходного напряжения (U_вых) на различных частотах.
3. Коэффициент усиления по напряжению (K_U = U_вых / U_вх) рассчитывается для каждой частоты.
4. Строится график зависимости K_U от частоты. Это позволяет определить полосу пропускания усилителя, верхнюю и нижнюю граничные частоты, а также выявить резонансы или спады усиления.

Таким образом, комплексный подход, включающий статический, динамический и графоаналитический расчеты, а также экспериментальную проверку, позволяет создать эффективный и надежный транзисторный усилительный каскад.

Коррекция частотных характеристик, устойчивость и снижение искажений

Причины возникновения неустойчивости и искажений

В идеальном мире усилитель просто увеличивает амплитуду входного сигнала, сохраняя его форму и фазу. Однако в реальности, особенно когда речь идет о многокаскадных усилителях с большим коэффициентом усиления, картина значительно сложнее. Операционные усилители (ОУ), являясь типичными представителями многокаскадных устройств, по своим частотным свойствам аналогичны фильтру нижних частот высокого порядка. Это означает, что их коэффициент усиления начинает спадать на определенной частоте, а фаза выходного сигнала отставать от входного.

Основные причины возникновения неустойчивости и искажений:

1. Паразитные емкости: В любом транзисторе и монтаже существуют паразитные межэлектродные и монтажные емкости. На низких частотах их влияние незначительно, но с ростом частоты они начинают шунтировать сигнальные цепи, вызывая спад усиления и фазовые сдвиги. В многокаскадных усилителях эти эффекты накапливаются.
2. Влияние отрицательной обратной связи (ООС): ООС — мощный инструмент, который улучшает стабильность и предсказуемость коэффициента усиления, а также значительно снижает нелинейные искажения. Она линеаризует передаточную характеристику усилителя и уменьшает чувствительность к изменениям параметров транзисторов. Однако у ООС есть и обратная сторона: если на определенной частоте фазовый сдвиг внутри петли обратной связи достигает 180°, а коэффициент усиления петли при этом больше единицы, то ООС превращается в положительную обратную связь, что неминуемо приводит к самовозбуждению усилителя. Усилитель начинает генерировать колебания без внешнего входного сигнала, становясь осциллятором.
3. Нелинейность характеристик транзистора: Несмотря на то, что усилители работают в активном, по возможности, линейном режиме, транзисторы по своей природе являются нелинейными элементами. Использование только части ВАХ, несовершенство рабочей точки или слишком большой размах сигнала могут приводить к нелинейным искажениям, изменяющим форму сигнала.

Таким образом, проектирование устойчивого и линейного усилителя — это постоянный поиск компромисса между высоким усилением, широкой полосой пропускания и стабильностью.

Критерии устойчивости и диаграммы Боде

Для обеспечения устойчивости усилителей с ООС необходимо анализировать их частотные характеристики и гарантировать, что условие самовозбуждения не будет выполнено. Основной критерий устойчивости к самовозбуждению для усилителя с обратной связью заключается в том, что запаздывание фазы должно быть менее чем на 180° на частоте единичного усиления петли обратной связи. Если фазовый сдвиг достигает 180° (или -180°), а усиление петли при этом ≥ 1, то усилитель становится неустойчивым.

Для наглядного и удобного анализа устойчивости широко используются диаграммы Боде. Это два логарифмических графика, которые строятся для коэффициента усиления петли обратной связи (Kβ):

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ): Показывает зависимость модуля коэффициента усиления Kβ от частоты в логарифмическом масштабе (децибелах).
2. Фазово-частотная характеристика (ФЧХ): Показывает зависимость фазового сдвига Kβ от частоты в логарифмическом масштабе (градусах).

Анализ диаграмм Боде позволяет определить запас по фазе и запас по амплитуде — ключевые показатели устойчивости.

• Запас по фазе (φ_зап): Разница между фазовым сдвигом (по модулю) и 180° на частоте, где модуль коэффициента усиления петли Kβ равен 1 (0 дБ). Хороший запас по фазе составляет 45-60°.
• Запас по амплитуде (A_зап): Разница между 0 дБ и модулем коэффициента усиления Kβ на частоте, где фазовый сдвиг достигает 180°.

На практике, для обеспечения устойчивости схемы, соответствующей максимально возможному запасу фазы, существует эмпирическое правило: прямая K* = 1/β (в дБ) (где K — коэффициент усиления без ООС, β — коэффициент обратной связи) должна пересекать отрезок АЧХ с наклоном в 20 дБ/дек.

• Наклон в 20 дБ/дек (или -6 дБ/октава) на диаграмме Боде указывает на наличие одного доминирующего полюса в передаточной функции. Этот наклон соответствует фазовому сдвигу, близкому к 90°. Если на частоте единичного усиления петли доминирует только один полюс, это гарантирует, что общий фазовый сдвиг не достигнет 180° (при условии, что начальный фазовый сдвиг не превышает 90°), тем самым обеспечивая устойчивость усилителя с отрицательной обратной связью. Более крутые наклоны (40 дБ/дек и выше) указывают на наличие нескольких полюсов, которые могут суммировать фазовые сдвиги до 180° и выше, что ведет к неустойчивости.

Методы частотной коррекции

Если усилитель оказывается неустойчивым или имеет недостаточный запас по фазе, необходимо применить частотную коррекцию. Это процесс изменения частотной характеристики усилителя (обычно его АЧХ и ФЧХ разомкнутой петли) с помощью дополнительных элементов, чтобы обеспечить устойчивость и желаемую полосу пропускания при наличии обратной связи.

Основные методы частотной коррекции:

1. Однополюсная коррекция: Это самый простой и распространенный метод. Он достигается включением в схему достаточной емкости (обычно конденсатора) таким образом, чтобы создать один доминирующий полюс на относительно низкой частоте. Этот полюс будет определять наклон характеристики 20 дБ/дек, начиная с этой частоты. Таким образом, АЧХ петли Kβ будет спадать с наклоном 20 дБ/дек до частоты единичного усиления, гарантируя достаточный запас по фазе.
2. Коррекция Миллера: Этот метод широко используется в двухкаскадных операционных усилителях. Он основан на включении небольшой емкости (C_М) между выходом первого каскада и входом второго (инвертирующим входом ОУ). Благодаря эффекту Миллера (умножению этой емкости на коэффициент усиления последующего каскада) эквивалентная входная емкость первого каскада значительно увеличивается, эффективно снижая его граничную частоту и создавая доминирующий полюс.
   • Однако коррекция Миллера может ввести в характеристику нежелательный «ноль», который приведет к подъему АЧХ на высоких частотах и снижению запаса по фазе. Для нейтрализации влияния этого нуля последовательно с C_М может включаться дополнительное сопротивление R_М.
3. Внешняя частотная коррекция: Применяется для усилителей, работающих на высоких частотах, особенно когда необходимо настроить параметры коррекции под конкретные условия применения или тип нагрузки. Для этого производители часто предусматривают специальные выводы на корпусе интегральной схемы (например, операционного усилителя), к которым подключаются внешние корректирующие цепи (конденсаторы, резисторы). Это дает гибкость в оптимизации устойчивости и полосы пропускания.

Тщательный выбор и реализация методов частотной коррекции являются залогом создания стабильных, широкополосных и высококачественных усилительных устройств.

Энергетические показатели и практическое применение

Энергетические ограничения и КПД

При проектировании любого усилителя, особенно предназначенного для выдачи значительной мощности, необходимо всегда помнить о фундаментальном законе сохранения энергии: мощность выходного сигнала не может превысить мощность, потребляемую от источника питания. Это означает, что КПД (коэффициент полезного действия) усилителя всегда будет меньше 100%, а остальная энергия рассеивается в виде тепла.

Полезная выходная мощность (P_вых) — это та часть мощности, которая передается в нагрузку и используется для выполнения полезной работы (например, для раскачки динамиков или излучения радиоволн). Она рассчитывается как P_вых = U_вых · I_вых, где U_вых и I_вых — среднеквадратичные значения напряжения и тока в нагрузке.

Потребляемая мощность (P_потр) — это суммарная мощность, которую усилитель потребляет от источника питания. P_потр = U_ИП · I_потр, где I_потр — средний ток, потребляемый от источника.

Коэффициент полезного действия (КПД, η) определяется как отношение полезной выходной мощности к потребляемой мощности, выраженное в процентах:

η = (Pвых / Pпотр) · 100%

Значение КПД критически зависит от класса усиления:

• Класс A: Низкий КПД (15-30%) из-за постоянного потребления тока покоя.
• Класс B: Высокий КПД (до 78% теоретически, 70% практически) благодаря отсутствию тока покоя.
• Класс AB: Промежуточный КПД, выше класса А, но ниже класса В, за счет небольшого тока покоя.
• Класс C: Высочайший КПД (до 90% и выше) в резонансных усилителях.

Помимо КПД, к энергетическим показателям относятся максимальная рассеиваемая мощность на транзисторе (P_Кmax), которая определяет требования к радиаторам охлаждения, и тепловой режим работы, влияющий на надежность и долговечность устройства.

Область безопасной работы (ОБР) транзистора

Для обеспечения надежности и предотвращения повреждения транзистора во время его эксплуатации, разработчик обязан обеспечить нахождение рабочей точки транзистора и всех динамических изменений напряжения и тока внутри области безопасной работы (ОБР). ОБР — это графическое представление на выходных ВАХ транзистора, ограничивающее допустимые комбинации коллекторного тока (I_К) и коллекторно-эмиттерного напряжения (U_КЭ), а также рассеиваемой мощности (P_К) и температуры перехода (T_j), при которых транзистор может работать без риска отказа.

ОБР определяется несколькими критически важными ограничивающими параметрами, которые задаются производителем в спецификациях транзистора:

1. Максимальный коллекторный ток (I_Кmax): Определяет верхнюю границу тока, которую может выдержать транзистор. Превышение этого значения может привести к разрушению p-n переходов из-за чрезмерного тока.
2. Максимальное коллекторно-эмиттерное напряжение (U_КЭmax): Устанавливает максимальное напряжение между коллектором и эмиттером. Превышение этого напряжения может вызвать электрический пробой коллекторного перехода.
3. Максимально допустимая рассеиваемая мощность (P_Кmax): Это произведение I_К и U_КЭ (P_К = I_К · U_КЭ). Данный параметр ограничивает суммарную мощность, которую транзистор может рассеивать в виде тепла без перегрева. Линия постоянной мощности P_Кmax на ВАХ является гиперболой. Если рабочая точка или динамическая нагрузочная прямая выходят за эту гиперболу, транзистор перегреется.
4. Максимальная температура перехода (T_jmax): Это критическая температура полупроводникового перехода, превышение которой приводит к необратимой деградации или выходу транзистора из строя. ОБР также учитывает температурные ограничения, и на высоких температурах допустимые I_Кmax и U_КЭmax могут снижаться (т.н. «derating»).
5. Вторичный пробой: Для мощных биполярных транзисторов ОБР также включает ограничение по вторичному пробою, который возникает из-за локального перегрева отдельных участков кристалла и проявляется в виде резкого падения напряжения при росте тока.

Тщательное проектирование усилителя, при котором рабочая точка и все возможные динамические изменения сигнала остаются строго внутри ОБР, является залогом долговечности и надежности электронного устройства.

Применение транзисторных усилительных каскадов в современных устройствах

Транзисторные усилительные каскады являются неотъемлемой частью практически любой электронной аппаратуры, от простейших датчиков до сложнейших вычислительных систем. Их универсальность и адаптируемость позволяют решать широкий спектр задач.

Особенности работы на высоких частотах:
На высоких частотах проявляются специфические эффекты, которые требуют особого подхода к проектированию:

• Влияние межэлектродных емкостей: Как было рассмотрено ранее, паразитные емкости транзисторов начинают шунтировать сигнальные цепи, снижая усиление и внося фазовые сдвиги.
• Время рассасывания неосновных носителей: В биполярных транзисторах процесс рассасывания неосновных носителей заряда в базе замедляет их реакцию на быстрые изменения сигнала, что ухудшает частотные свойства.
• Максимальная частота усиления (f_max): Это критический параметр, который определяет верхнюю границу рабочего диапазона транзистора. f_max — это частота, на которой коэффициент усиления по мощности транзистора снижается до единицы (0 дБ). Современные транзисторы могут иметь f_max в гигагерцовом диапазоне.

Именно в высокочастотных приложениях полевые транзисторы демонстрируют свои неоспоримые преимущества:

• Униполярность: Отсутствие неосновных носителей заряда в канале ПТ означает, что нет процесса их рассасывания. Это обеспечивает значительно лучшие частотные свойства по сравнению с БТ.
• Схема с общим затвором (ОЗ): Эта схема на полевых транзисторах находит широкое применение в высокочастотных усилителях, так как при таком включении полоса пропускания значительно шире благодаря минимальному эффекту Миллера и низкому входному сопротивлению, что упрощает согласование.

Примеры практического использования:

• Радиотехника: Все радиоприемники и передатчики, от бытовых до профессиональных, содержат множество усилительных каскадов. Это и усилители низкой частоты (УНЧ) для аудио, и высокочастотные усилители (УВЧ) для радиосигналов, и усилители промежуточной частоты (УПЧ).
• Системы связи:
  • GPS: Усилители на транзисторах используются для усиления крайне слабых сигналов со спутников.
  • GSM/LTE/5G: Мобильные телефоны и базовые станции насыщены усилителями мощности для передачи сигнала и малошумящими усилителями для приема.
  • WiFi: Беспроводные маршрутизаторы и адаптеры также используют ВЧ-усилители.
• Измерительная аппаратура: Осциллографы, вольтметры, анализаторы спектра — все они содержат прецизионные усилительные каскады для обработки входных сигналов.
• Медицинская электроника: Усилители биосигналов (ЭКГ, ЭЭГ) требуют крайне низкого шума и высокого входного сопротивления, где часто применяются ПТ.
• Автоматика и робототехника: Драйверы двигателей, усилители сигналов датчиков, исполнительные устройства — везде используются транзисторные каскады.
• Аудиотехника: От микрофонных предусилителей до мощных оконечных усилителей в Hi-Fi системах — транзисторы обеспечивают усиление звукового диапазона.

Развитие технологий полупроводников постоянно расширяет возможности транзисторных усилителей, позволяя создавать все более миниатюрные, энергоэффективные и высокочастотные устройства, которые продолжают формировать облик современного электронного мира.

Заключение

Путешествие в мир транзисторных усилительных каскадов, которое мы только что совершили, наглядно демонстрирует, насколько глубоко и всесторонне необходимо подходить к проектированию этих, казалось бы, простых, но на самом деле чрезвычайно сложных элементов электроники. Мы углубились в фундаментальные физические процессы, лежащие в основе работы биполярных и полевых транзисторов, от инжекции носителей заряда до влияния межэлектродных емкостей на высоких частотах.

Мы исследовали разнообразие схем включения (ОЭ, ОБ, ОК и их аналоги для ПТ), каждый из которых имеет свои уникальные преимущества и ограничения, что подчеркивает необходимость осознанного выбора в зависимости от конкретной инженерной задачи. Важность стабилизации рабочей точки, особенно в условиях температурных дрейфов, была выделена как краеугольный камень надежности, с подробным рассмотрением методов термокомпенсации, параметрической стабилизации и эмиттерной стабилизации с количественной оценкой её эффективности через коэффициент стабильности S_I.

Методы расчета, как графоаналитические для наглядного выбора режима, так и аналитические по постоянному и переменному току, были представлены как систематический подход к проектированию. Мы уделили особое внимание вопросам частотной коррекции, устойчивости усилителей с отрицательной обратной связью, используя мощный инструмент диаграмм Боде, и методам снижения искажений. Наконец, энергетические показатели, включая КПД, и критически важная область безопасной работы (ОБР) транзисторов, были рассмотрены как неотъемлемые аспекты, предотвращающие выход из строя и обеспечивающие долговечность устройств.

Эта работа призвана стать не просто сборником теоретических сведений, но и практическим руководством для студентов технических вузов, позволяющим глубоко осмыслить принципы, лежащие в основе транзисторных усилителей, и применить эти знания в курсовом проектировании или при создании реальных электронных устройств. Глубокое понимание физических процессов, владение методами расчета и стабилизации, а также умение бороться с искажениями и обеспечивать устойчивость — все это является фундаментом для создания эффективных и надежных электронных устройств.

Дальнейшие перспективы изучения и развития в области аналоговой схемотехники неизменно связаны с появлением новых полупроводниковых материалов, развитием интегральных технологий и поиском инновационных схемотехнических решений, способных работать на еще более высоких частотах и с большей энергоэффективностью. Однако базовые принципы, изложенные в этой работе, останутся актуальными и будут служить отправной точкой для будущих поколений инженеров-электронщиков.

Список использованной литературы

1. Андреев, В. С. Теория нелинейных электрических цепей. Москва: Связь, 1972. 328 с.
2. Берзан, В. П. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / В. П. Берзан, Б. Ю. Геликман, М. Н. Гураевский и др.; Под ред. Г. С. Кунинского. Москва: Энергоатомиздат, 1987. 656 с.
3. ГОСТ 2.710 — 81. ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах. Москва: Издательство стандартов, 1987. 17 с.
4. ГОСТ 20003 — 74. Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров. Москва: Издательство стандартов, 1983. 28 с.
5. ГОСТ 28884 — 90. Ряды предпочтительных значений для резисторов.
6. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. 5-е изд., стер. Москва: Высш. шк., 2008. 798 с.
7. Ежков, Ю. С. Справочник по схемотехнике усилителей. URL: https://elec.ru/files/2020/01/28/19/20_elec_ru.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
8. Лачин, В. И. Электроника: Учебное пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савёлов. Изд. 8-е. Ростов н/Д: Феникс, 2010.
9. Павлов, В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие для студ. вузов. Москва: Издательский центр «Академия», 2008. 288 с.
10. Пасынков, В. А. Полупроводниковые приборы / В. А. Пасынков, Л. К. Чиркин. СПб.: Лань, 2002. 480 с.
11. Промышленная электроника: учебник для вузов. Москва: Альянс, 2013.
12. Биполярные транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций. URL: https://siblec.ru/elektronika/fizicheskie-osnovy-elektroniki/bipolyarnye-tranzistory (дата обращения: 25.10.2025).
13. Внешняя частотная коррекция — Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. URL: https://bstudy.net/60340/tehnika/vneshnyaya_chastotnaya_korrektsiya (дата обращения: 25.10.2025).
14. Графоаналитический метод исследования усилительных каскадов. URL: https://radiodiy.ru/publ/radiokomponenty_i_mikroskhemy/usilitelnye_kaskady/grafoanaliticheskij_metod_issledovanija_usilitelnykh_kaskadov/15-1-0-120 (дата обращения: 25.10.2025).
15. Графоаналитический расчёт и исследование полупроводникового усилительного каскада. URL: https://studbooks.net/1410427/tehnika/grafoanaliticheskiy_raschyot_issledovanie_poluprovodnikovogo_usilitelnogo_kaskada (дата обращения: 25.10.2025).
16. Коррекция частотной характеристики. URL: https://www.gaw.ru/html.cgi?id=1384&act=print (дата обращения: 25.10.2025).
17. Обеспечение устойчивости рабочей точки: Метод параметрической стабилизации. URL: https://club155.ru/electronics/stable_operating_point_parametric_stabilization/ (дата обращения: 25.10.2025).
18. Приборы твердотельной электроники. Свистова Т.В. Воронежский государственный технический университет.
19. Способы стабилизации рабочей точки транзисторного каскада. URL: https://radiomaster.ru/articles/read/1169-sposoby-stabilizacii-rabochey-tochki-tranzistornogo.html (дата обращения: 25.10.2025).
20. Стабилизация положения рабочей точки усилительного элемента. URL: https://tpu.ru/f/135213/metodicheskie_ukazaniya_k_lr_po_kursu_analogovaya_elektronika.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
21. Температурная стабилизация усилительного каскада с общим эмиттером — ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ СЕРВИСА. В 2 Ч. ЧАСТЬ 1. URL: https://studme.org/297063/tehnika/temperaturnaya_stabilizatsiya_usilitelnogo_kaskada_obschim_emitterom (дата обращения: 25.10.2025).
22. Транзисторный усилительный каскад. Схема с общим эмиттером. URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F_1949174697/lab_rab_tranz_us_kask.pdf (дата обращения: 25.10.2025).
23. Усилительные каскады на основе биполярных транзисторов. URL: https://e.spbstu.ru/bitstream/handle/123456789/22886/metodicheskie_ukazaniya_k_laboratornoy_rabote_10.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 25.10.2025).
24. Физические эквивалентные схемы биполярных транзисторов. URL: https://club155.ru/electronics/bjt_equivalent_schemes/ (дата обращения: 25.10.2025).