Принцип действия
В настоящее время в микрофонных усилителях в качестве усилительных каскадов низкочастотного сигнала широко используются обычные транзисторные усилители, в которых биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Именно такие усилительные каскады, по сравнению со схемами с общей базой и с общим коллектором, обеспечивают наибольшее усиление по мощности.
Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 2.1а.
Рис. 2.1. Принципиальные схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (а) и усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (б)
В данной схеме коэффициент усиления по току представляет собой отношение амплитуд (действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих тока коллектора и тока базы транзистора.
Главным параметром, характеризующим транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, является статический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) для схемы с ОЭ, который обозначается как b. Этот параметр для того или иного типа биполярного транзистора при необходимости можно найти в любом справочнике.
В транзисторном усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим эмиттером, между входным и выходным напряжениями имеется фазовый сдвиг, составляющий 180°. Наличие указанного фазового сдвига объясняется особенностями функционирования такого каскада. При поступлении на базу транзистора VТ1 положительной полуволны входного сигнала происходит увеличение напряжения на переходе база-эмиттер. В результате возрастает ток эмиттера, и, соответственно, ток коллектора транзистора. Увеличение тока коллектора приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1, который является коллекторной нагрузкой. Иными словами, на нагрузочном резисторе дополнительно к уже имеющемуся постоянному напряжению добавляется переменное напряжение с той же полярностью. При этом напряжение на коллекторе транзистора VТ1, соответственно, уменьшается. Таким образом, при подаче положительной полуволны переменного напряжения на вход транзисторного каскада по схеме с общим эмиттером на его выходе формируется отрицательная полуволна выходного напряжения.
Достоинством схемы с общим эмиттером, помимо наибольшего усиления по мощности, является удобство питания от одного источника, так как на базу и коллектор транзистора подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам данной схемы включения следует отнести сравнительно малое входное сопротивление транзистора, определяемое особенностями конструкции биполярных транзисторов. Помимо этого, схема с общим эмиттером имеет худшие, по сравнению, например, со схемой с общей базой, частотные и температурные характеристики. С повышением частоты усиление в схеме с общим эмиттером снижается в значительно большей степени, чем, в схеме с общей базой.
Усилительные каскады на биполярных транзисторах, включенных по схемам с общей базой и с общим коллектором, практически не применяются в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков. Поэтому подробное рассмотрение особенностей функционирования таких каскадов выходит за рамки данной книги. Необходимую информацию заинтересованные читатели могут найти в специализированной литературе.
Тем не менее, схемы включения биполярного транзистора с общей базой и с общим коллектором широко используются в схемотехнических решениях активного элемента высокочастотных генераторов маломощных радиопередающих устройств, о которых будет рассказано в одной из следующих глав. Поэтому автор считает необходимым хотя бы весьма коротко отметить основные преимущества и недостатки таких схем включения.
Усилительный каскад, выполненный по схеме с общей базой, по сравнению со схемой с общим эмиттером, обеспечивает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление. Однако его температурные и частотные свойства значительно лучше. Помимо этого в схеме с общей базой отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами. Достоинством усилительного каскада по схеме с общей базой также является внесение значительно меньших искажений при усилении сигнала.
В усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим коллектором, нагрузка включена в цепь эмиттера транзистора, а выходное напряжение снимается с эмиттера по отношению к шине корпуса. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление каскада по схеме с общим коллектором в десятки раз выше, чем у каскада с общим эмиттером, а выходное сопротивление, наоборот, сравнительно мало. Помимо этого коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада по схеме с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. В схеме с общим коллектором отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.
Нередко в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков применяются усилительные каскады на полевых транзисторах. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, имеют большое входное сопротивление, чем значительно облегчается решение задачи согласования каскадов. Обычно предпочтение отдается схемотехническим решениям, в которых полевой транзистор включен по схеме с общим истоком. Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на полевом транзисторе с каналом n-типа, включенном по схеме с общим истоком, приведена на рис. 2.1б.
Принцип работы усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, заключается в следующем. С увеличением потенциала затвора ток в цепи стока и, соответственно, падение напряжения на резисторе R1 в цепи нагрузки возрастают. При этом напряжение между стоком и истоком уменьшается. В результате переменное напряжение между стоком и истоком оказывается сдвинутым по фазе на 180° относительно переменного напряжения между затвором и истоком.
Для оценки работы усилительного каскада на полевом транзисторе обычно используют такие характеристики, как коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление каскада. Необходимо отметить, что значения входной, проходной и выходной емкостей полевого транзистора весьма малы и обычно не превышают нескольких пикофарад. Поэтому их влиянием на работу низкочастотного усилительного каскада можно пренебречь.
Принцип действия усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, рассмотрим на примере простейшего микрофонного усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Принципиальная схема простейшего микрофонного усилителя на n-p-n-транзисторе
В рассматриваемой схеме сигнал, сформированный на выходе микрофона BM1, через разделительный конденсатор С1 поступает на базу транзистора VТ1, включенного по классической схеме с общим эмиттером. Конденсатор С1 обеспечивает развязку входной цепи усилителя и выходной цепи источника сигнала (микрофон BM1) по постоянному току. При отсутствии этого конденсатора сопротивление резистора R3 совместно с малым сопротивлением перехода база-эмиттер транзистора VТ1 шунтирует выход источника сигнала. Помимо этого выходное сопротивление микрофона оказало бы неприемлемое влияние на положение рабочей точки транзистора VТ1, изменив режим его работы. Аналогичные функции выполняет разделительный конденсатор С2, обеспечивая развязку по постоянному току выходной цепи микрофонного усилителя и входных цепей подключаемых к его выходу каскадов. Через резистор R1 на соответствующий вывод электретного микрофона BM1 подается напряжение, необходимое для штатного функционирования микрофона.
При отсутствии входного сигнала на базе транзистора VТ1, включенного по схеме с общим эмиттером, присутствует напряжение смещения, формируемое делителем R2, R3 из напряжения питания. Наличие напряжения смещения обеспечивает протекание тока между коллектором и эмиттером транзистора. Величина этого тока, который обычно называют коллекторным током, зависит от соотношения величин сопротивлений резисторов R2 и R3. Изменение этого соотношения приводит к смещению рабочей точки на характеристике транзистора VТ1 и, соответственно, к изменению его режима работы.
При поступлении сигнала на базу транзистора VТ1 происходит изменение тока базы, что вызывает соответствующее изменение величины коллекторного тока. В результате по аналогичному закону происходит изменение разности потенциалов на резисторе R4, выполняющем функцию нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора VТ1. Как уже отмечалось, при возрастании напряжения на базе транзистора VТ1 происходит падение напряжения на его коллекторе, и, наоборот, при падении напряжения на базе, напряжение на коллекторе увеличивается. Таким образом, выходное напряжение однокаскадного транзисторного усилителя будет находиться в противофазе входному напряжению.
Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим
Что такое транзисторный усилительный каскад и как он работает, примеры схем усилительных каскадов на транзисторе. В любой аналоговой электронной технике применяются усилительные каскады на транзисторах, как самостоятельные, так и в составе микросхем. И так, из школьного курса физики, мы знаем что биполярные транзисторы бывают структур P-N-P и N-P-N.
Вдаваться в подробности строения кристалла мы здесь не будем. Лучше разберемся что это нам дает. Так вот, питание биполярного транзистора P-N-P подается плюсом на его эмиттер, а минусом на его коллектор. И некоторое отрицательное, относительно эмиттера, напряжение смещения подается на его базу.
А вот питание биполярного транзистора N-P-N, совсем наоборот, — подается минусом на его эмиттер, а плюсом на его коллектор, и некоторое положительные, относительно эмиттера, напряжение смещение на его базу. Здесь будем рассматривать усилительные каскады на транзисторах структуры N-P-N.
Потому что такие каскады сейчас наиболее распространены, — почти вся современная аппаратура имеет общий минус, а питается положительным напряжением относительно общего минуса. Все что здесь будет сказано в отношении транзистора N-P-N применимо и к транзистору P-N-P, только все напряжения будут в обратной полярности.
Простейшие схемы усилительных каскадов на транзисторах
На рисунках 1 и 2 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером позволяет усиливать как ток, так и напряжение сигнала.
Рис. 1. Простейшая схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).
Рис. 2. Еще одна схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).
Есть два основных способа подачи напряжения смещения на базу транзистора в схеме с ОЭ. В схеме на рисунке 1 напряжение на базу подается через резистор R6, при этом само напряжение на базе зависит от делителя, состоящего из R6 и внутреннего сопротивления база-эмиттер транзистора.
В такой схеме для получения нужного напряжения смещения R6 имеет обычно большое сопротивление. Такой тип смещения называют смещением, фиксированным током базы.
На рисунке 2 напряжение базового смещения создается делителем из резисторов Rб1 и Rб2. В такой схеме сопротивление базовых резисторов может быть значительно меньше.
Это интересно тем, что изменение сопротивления эмиттер-база под действием изменения температуры в меньшей степени влияет на напряжение на базе транзистора. Такой каскад более термостабилен.
Кроме того меньше влияния на рабочую точку транзистора изменений в кристалле транзистора от старения, или при замене неисправного транзистора другим. Такой тип смещения называется фиксированным напряжением база-эмиттер.
Недостаток схемы на рис.2 в том, что входное сопротивление такого каскада значительно ниже, чем в схеме по рис.1. Но это важно, только если нужно большое входное сопротивление.
Разные экземпляры даже однотипных транзисторов могут существенно отличаться своими статическими параметрами, кроме того, есть и зависимость от температуры, поэтому желательно чтобы в усилительном каскаде была стабилизация режима работы транзистора.
Проще всего это сделать введением в каскад отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, так, чтобы изменения входного тока или напряжения, к которым приводит работа ООС, противодействовали влиянию дестабилизирующих факторов.
Коллекторная стабилизация режима работы транзистора
На рисунке 3 показана схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Обратите внимание, — каскад очень похож на схему на рис.1, но базовый резистор R6 подключен не к плюсу источника питания (+Uп), а к коллектору транзистора. Теперь получается, что напряжение смещения на базе транзистора зависит от напряжения на его коллекторе.
Которое, в свою очередь, зависит от напряжения на базе. И если по какой-то причине напряжение на коллекторе изменится, то и напряжение на базе изменится таким образом, что необходимая рабочая точка каскада будет восстановлена.
Рис. 3. Схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.
Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора
Более высокой стабильности можно достигнуть применив эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора (рис.4). Здесь стабильность повышается при увеличении сопротивления Rэ и уменьшении сопротивлений Rб1 и Rб2.
Однако и слишком большим сопротивление Rэ выбирать не следует, потому что при этом напряжение коллектор-эмиттер может оказаться слишком малым.
Не стоит увлекаться и сильным уменьшением сопротивлений R61 и R62, потому что при очень малых их величинах не только увеличивается ток потребления, но и, что гораздо важнее, очень сильно снижается входное сопротивление.
Рис. 4. Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора.
Чтобы снизить влияние ООС на переменный ток вводится конденсатор Сэ. Как известно, конденсатор имеет реактивное сопротивление, и постоянный ток через него не проходит, но проходит переменный. В результате переменный ток «обтекает» резистор Rэ через реактивное сопротивление Сэ.
И результирующее сопротивление в цепи эмиттера по переменному току оказывается значительно ниже, чем по постоянному. Поэтому ООС по переменному току значительно меньше, чем по постоянному.
Каскад с общим коллектором
Схема каскада с общим коллектором (рис.5.) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.
Такие каскады называются эмиттерными повторителями, потому что по напряжению они не усиливают сигнал, а только повторяют его (было на входе 0,5V, и на выходе тоже будет 0,5V).
Но сила тока на выходе через нагрузку будет больше.
Они применяются тогда, когда нужно получить большое входное сопротивление. Отличие каскада с ОК (общим коллектором) от каскада ОЭ (общим эмиттером) в том, что в схеме с ОК выходной сигнал снимается с эмиттера. При этом сигнал не усиливается по напряжению и не инвертируется.
Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором.
В схеме же с ОЭ сигнал инвертируется. Это демонстрируется на рисунках изображениями синусоид у входа и выхода каскадов. В схеме с ОЭ выходная синусоида противофазна входной. В схеме с ОК — они синфазны.
Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад.
Здравствуйте, продолжим знакомство с биполярными транзисторами. В предыдущем посте был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Схемы включения транзистора
Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (RН).
Схема с общим эмиттером
Схема с общей базой
Схема с общим коллектором.
Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (еГ), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем посте эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера IE (практически равного току коллектора IС и зависящего от E0B) и от напряжения E0C.
Усилительные параметры транзистора
Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h21e и fТ (или fh21b). Зная параметр транзистора h21e для заданного режима покоя IE, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:
где S — проводимость транзистора, re — сопротивление эмиттера транзистора.
Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |Ki| — коэффициент усиления тока транзистора, ZВХ — входное сопротивление транзистора:
| Параметры усилительного каскада | Схема включения | ||
| ОЭ | ОБ | ОК | |
| |K| | S*RH | S*RH | S*RH /( 1 + S*RH) |
| |Ki| | h21e | h21e/(1 + h21e) | h21e |
| ZВХ | h21e*re | re | h21e*RH |
Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.
Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.
Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.
Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки RH и велико (почти в h21e раз больше RH), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала RГ и мало (почти в h21e раз меньше RГ). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.
Цепи питания биполярных транзисторов
Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя IС. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.
Питание коллектора
Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.
В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр RфCф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор Rф включают последовательно с нагрузкой RН, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление Rф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:
Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора UCE выбирается в пределах
При этом минимальное значение UC не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.
Схема цепей питания базы
Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже
Схема с фиксированным током
Схема с фиксированным напряжением
Схема с автоматическим смещением
Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения UB или создания в цепи базы требуемого тока смещения IB. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение UBE,равное (в зависимости от IB) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E0C или от отдельного источника питания базовых цепей E0В.
При питании от E0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.
Расчёт усилительного каскада
Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: Rb1, Rb2 и RE. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой RE в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор CE используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин Rb1, Rb2 и RE должны быть известны напряжение источника питания E0C и ток покоя IС. Ориентировочные значения Rb1, Rb2 и RE могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.
Входящие в вышеприведённые формулы b, c и UBE зависят от типа транзистора и режима его работы.
Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; UBE – в пределах 0,1…0,2.
Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; UBE – в пределах 0,6…0,7.
При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения UBE выбирают для больших значений IС.
Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ
Транзисторные каскады
Полупроводниковые интегральные микросхемы реализуются с использованием конечного набора типовых элементов, модулей, узлов и блоков, что упрощает их моделирование и проектирование.
Распространенными типовыми элементами являются устройства (каскады), построенные на полупроводниковом транзисторе с цепями электропитания, обеспечения режима работы, ввода и вывода сигналов. В качестве нагрузки в транзисторных каскадах применяются линейные или нелинейные резистивные компоненты, которые реализуются на транзисторе в соответствующем включении.
Применяемые в ИМС каскады учитывают особенности интегральной технологии: формирование пассивных элементов на основе транзисторных структур; преимущественное использование транзисторов одного типа; ограничение суммарного сопротивления резисторов, связанное с уровнем рассеиваемой кристаллом мощности; а также, по возможности, исключение индуктивных катушек и конденсаторов больших номиналов.
Транзистор представляет собой прибор с тремя зажимами, и способ его включения с общим эмиттером (ОЭ), коллектором (ОК), базой (ОБ) в схемах на биполярных транзисторах или с общим ис-
Рис. 11.5. Каскад ОЭ на БТ (а), модель транзистора (б) и характеристика каскада (в)
током (ОИ) или стоком (ОС) в каскадах на полевых транзисторах определяет параметры каскада.
На биполярном транзисторе распространен каскад по схеме с общим эмиттером с нагрузочным резистором RK, подключенным к источнику электропитания V (рис. 11.5, а).
При включении транзистора по схеме ОЭ используется модель с управлением током базы (рис. 11.5, б), в которой коэффициент передачи
Уравнения каскада UK = V — RKIK, /э = /к + Д вместе с характеристиками транзистора 1в(Щ) и IK(UK, I&) составляют полную систему для определения выходного напряжения UBbtx = UK при заданном входном сигнале UBX = f/g. Оценочный расчет проходной характеристики несложно выполнить с помощью кусочно-линейной аппроксимации характеристик.
При входном напряжении меньше уровня отпирания (UBX U* приводит к отпиранию эмиттерного диода и переходу транзистора в нормальный активный режим работы. Ток базы на основе линеаризованной модели транзистора можно записать в виде /б = (UBX — U*)/rBX, причем rBX = гб + n,(P + 1), где гб, гэ — сопротивления базы и эмиттера. Типичные значения приведенных величин лежат в следующих пределах: р =100-^500, гэ= = 0,5-И Ом, rg = 30^70 Ом. Для выходного напряжения с помощью зависимости /к = 4 несложно получить выражение t/BbIX = V- рRK(Ultx — U*)/rBX, описывающее прямую линию с наклоном/С= AUBX/AUBblx =
Дальнейшее увеличение UBX приводит к смещению коллекторного перехода в прямом направлении, и транзистор входит в режим насыщения, при котором оба перехода смещены в прямом направлении. При этом можно считать 11шх = UK3H = 0,2-^0,3 В и значение коллекторного тока определяется выражением IK = (V- UK:m)/RK и не зависит от тока базы. Переход с одного участка на другой происходит при входном напряжении, вычисленном из соотношения
На полученной проходной характеристике (рис. 11.5, в) имеются два установившихся уровня выходного сигнала (низкий ?7° и высокий U ] ), позволяющих применить рассматриваемый каскад в качестве двоичного логического элемента.
Похожий каскад реализован на MOI 1-транзисторе по схеме ОИ (рис. 11.6, а).
При UBX = U3 уравнение для выходного напряжения имеет вид
Проходную характеристику можно получить по участкам на основе кусочной модели МОП-транзистора. При Uox Uq ток /с = 0 и выходное напряжение неизменно (?/вых = U3 = V). Увеличение входного напряжения (?/вх> Uq) приводит к появлению тока стока и выражению для выходного напряжения
При Uux — Uq = ?/вых рабочая точка переходит на следующий участок характеристики и описывается выражением
Полученная характеристика подобна характеристике каскада БТ (рис. 11.6, б). В ИМС обычно нагрузкой каскада служит МДП- транзистор с индуцированным или встроенным каналом.
В цифровой технике распространена схема на взаимодополняющих транзисторах Тп и Тр (рис. 11.6, е) с каналами п- и р-типа (комплеметарная МОП-структура, или КМОП-структура). Проходная характеристика также может быть построена по участкам с использованием кусочных моделей транзисторов.
Рис. 11.6. Каскад на МОП-транзисторе (я) и характеристика (б), КМОП-структура (в) и характеристика (г)
При входном сигнале Uux = V- При значениях входного напряжения UttX > V- Uop закрыт транзистор Тр и ток 1ср
0, что приводит к низкому уровню выходного напряжения (7ВЫХ * 0. На переходных участках один транзистор работает на крутом участке характеристик, а другой на пологом. При напряжении t/BX
V/2 оба транзистора работают на пологих участках и на проходной характеристике наблюдается весьма резкое изменение (скачок) выходного напряжения.
Полученная проходная характеристика (рис. 11.6, г) имеет симметричный вид. Отсутствие потребления каскадом тока в установившихся (статических) режимах нулевого U° = 0 и единичного U 1 = Алогических уровней относят к основным достоинствам схемы.
Симметричный каскад на биполярных транзисторах строят по дифференциальной схеме на основе двух усилительных каскадов с объединенными эмиттерами (рис. 11.7, а).
Для получения проходной характеристики каскада на один его вход (Вх1) подается изменяемое входное напряжение f/IjX, а на другой (Вх2) — фиксированный опорный сигнал Uou. Уравнения каскада имеют вид
где /э1, /э2 — эмиттерные токи транзисторов, описываемые соотношениями 
При равенстве входного и опорного напряжений (Нвх = [/„„) из симметрии схемы следуют равенства /к) = /к2 = Iq/2 и U3 = U32 = Ua = = Uon — U*. Напряжения на коллекторах также имеют равные значения UK] к2 = V — a.RJo/2 (рис. 11.7, б).
Рис. 11.7. Схема (а) и характеристики (б) дифференциального каскада
При небольшом уменьшении входного напряжения (t/BX = = Uon — t/д) транзистор Т2 останется открытым и потенциал его эмиттера не изменится, т.е. останется прежним потенциал объединенных эмиттеров 11э = Uon — U*. Это приведет к уменьшению напряжения Щэ = U* — t/д, что вызовет быстрое снижение тока через (например, дифференциальная разность ид = 2,3ц>т= 60 мВ вызывает уменьшение тока на порядок). В результате транзистор Т1 закрывается (/э1
0) и напряжение его коллектора становится максимальным (t/Kl
V). Практически весь ток источника замыкается через транзистор Т2, т.е. Л)2
/0, и на его коллекторе имеем минимальный уровень напряжения Uk2
а/?уг,/0. Дальнейшее уменьшение входного сигнала до нуля практически не изменяет полученного распределения токов и напряжений.
При увеличении входного напряжения (t/BX = Uou + t/;l) транзистор Т1 останется открытым и будет определять потенциал эмиттеров U3 = U31 = t/BX — U* = t/()II — U* + t/д. Это вызывает снижение напряжения на переходе транзистора Т2 на значение UA и приводит к быстрому уменьшению тока через Т2 до его полного запирания.
Таким образом, под действием входного напряжения происходит переключение тока источника между транзисторами, что позволяет использовать дифференциальный каскад в качестве двоичного логического элемента с наличием на выходах сигналов с противоположными уровнями (парафазных). Каскад усиливает разностный (дифференциальный) сигнал, подключенный между базами транзисторов, и практически не передает поданное на оба входа напряжение (синфазный сигнал).
Наличие на проходных характеристиках рассмотренных каскадов участков с k = dUBUX/dUQX > 1 свидетельствует о возможности их использования в усилительном режиме. Линейные усилители сигналов на основе рассмотренных каскадов получаются добавлением цепей смещения рабочей точки на линейный участок проходной характеристики.
В типичном усилительном каскаде на биполярном транзисторе по схеме ОЭ электропитание осуществляется от одного источника постоянного напряжения, а необходимый режим по постоянному току задается с помощью резистивного делителя напряжений /?i, R2 в базовой цепи (рис. 11.8, а).
При этом источник входного сигнала и нагрузку присоединяют через разделительные конденсаторы Су С2, которые формируют частотные характеристики каскада.
Рабочий режим линейного усилителя на полевом транзисторе (ПТ) можно также обеспечить с помощью резистивного делителя напряжения, задающего фиксированный потенциал затвора. При
Рис. 11.8. Усилители на БТ (а) и ПТ (б), проходная характеристика МДП-транзистора (в), эквивалентная малосигнальная схема каскада (г)
использовании в усилительном каскаде МДП-транзистора с встроенным каналом более рациональным представляется способ задания режима за счет падения напряжения на резисторе в цепи истока Ru (рис. 11.8, б). Проходная характеристика транзистора позволяет обеспечить требуемый ток покоя /с0 при отрицательном напряжении смещения UCM = -RmIcq (рис. 11.8, в). Для вычисления постоянного тока стока на пологом участке выходных характеристик можно применить формулу 1Со = ko(Uo — Rjlcо) 2 .
При работе усилителя используется линейный участок проходной характеристики каскада вблизи рабочей точки /с0, заданной постоянными источниками питания. Расчет переменных составляющих и<,и2, Щу. i:v ivv icy а также малосигнальных усилительных характеристик выполняется с использованием линеаризованной эквивалентной схемы для приращений, которая получается из исходной схемы заменой транзистора четырехполюсником (рис. 11.8, г). Аппроксимация характеристик транзистора в окрестности рабочей точки позволяет вычислить параметры gm = dic/du3K и gK = = dic/ducli. Для параметров схемы обычно выполняется соотношение rK = t/gK > RCy из которого следует Д/и
Дic. Кроме того, для МДП-транзистора i3
щ. Запись уравнений эквивалентной схемы для переменных составляющих и их решение дают приближенную формулу для вычисления коэффициента усиления напряжения 
При типичных значенияхgm = 0,5-^2,5 мА/В и /?„ = 0; Rc = 10 кОм каскад обеспечивает усиление напряжения К^ах = 5+25. Высокое входное сопротивление RBX
г3 дает большой коэффициент усиления тока 
Увеличение напряжения коэффициента усиления обычно достигается с помощью замены линейного нагрузочного резистора МДП-транзистором.
Для расчета частотных характеристик каскада следует дополнить эквивалентную схему емкостями соответствующих областей полупроводниковой структуры.
В усилителях распространены различные тины дифференциальных каскадов. При использовании приведенного каскада (см. рис. 11.7, а) в усилительном режиме сигнал переменного напряжения щ подается между базовыми выводами транзисторов. Для анализа работы усилителя сигнал удобно представить в виде совокупности двух одинаковых напряжений относительно корпуса ивх = щ/2 и Uon = -щ/2. При отсутствии дифференциального сигнала (щ = 0) в симметричной схеме потенциалы баз транзисторов равны, их токи одинаковы и выходной сигнал ивых = ик1 — ик2 = 0 в силу равенства потенциалов коллекторов ик1 = ик2
Приложение дифференциального напряжения щ вызывает увеличение тока через эмиттер транзистора Т и уменьшение на такое же значение тока через эмиттера транзистора Т2. В результате потенциал эмиттеров останется неизменным, т.е. его переменная составляющая имеет нулевое значение. Очевидно, что для симметричной схемы нулевой потенциал будет во всех точках на оси симметрии. Для переменных составляющих напряжений и токов схему можно разделить на две подсхемы, каждая из которых представляет собой каскад с общим эмиттером, и для оценки усилительных параметров дифференциального усилителя можно воспользоваться приведенными ранее результатами каскада ОЭ при R3 = 0.
Достоинством симметричной схемы задания режима транзисторов является одинаковое изменение под воздействием дестабилизирующих факторов постоянных составляющих токов при идентичных параметрах каскадов, что обеспечивает стабильность напряжения между коллекторами. Преимущества дифференциальных каскадов в полной мере проявились в интегральной технологии, позволившей реализовать элементы с высокой степенью идентичности. Дифференциальные усилители нашли широкое применение в аналоговых усилителях и цифровых элементах на переключателях тока.
Для задания режимов каскадов в микроэлектронике разработаны вторичные источники электропитания (стабилизаторы напряжения и тока) па основе полупроводниковых приборов. В принципы действия стабилизаторов заложено использование нелинейности вольтамперных характеристик полупроводниковых областей и переходов.
Источник тока можно получить на основе транзисторов, обладающих малой зависимостью тока от напряжения на пологом участке выходной характеристики. Обычно используется экономичная схема на МДП-транзисторе (рис. 11.9, а).
Рис. 11.9. Схема источника тока (а), характеристика транзистора (б), реализация стабилитрона (в) и его характеристика (г)
С помощью резистивного делителя напряжения задается напряжение затвора U3 2, которое определяет выходную характеристику с требуемым значением тока (рис. 11.9, б).
Источники напряжения в качестве нелинейных элементов содержат стабилитроны, сформированные на базе обратно смещенного перехода «эмиттер — база» интегрального транзистора (рис. 11.9, в). Принцип действия стабилитрона основан на свойствах обратной ветви характеристики р-и-перехода в области пробоя (рис. 11.9, г). Для кремниевых интегральных транзисторов UCT лежит в пределах 6,0—6,5 В и г = 50-Н00 Ом. Если требуется получить более низкий уровень стабилизированного напряжения, используется прямая ветвь характеристики р-п-перехода, обеспечивающая U
Схемы реально применяемых источников, как правило, делаются сложнее для обеспечения требуемых параметров источников.