TL;DR: рассказываю и показываю на графиках, без формул, основу понятия рабочей точки биполярного транзистора. Используя интерактивную модель в веб-симуляторе электроники, соберу простой транзисторный предусилитель.

Полупроводниковые приборы — тема неисчерпаемая. Чем больше погружаешься, тем большее великолепие эффектов и сложных взаимодействий открываешь. Биполярные транзисторы сложнее для понимания, чем полевые. По технологическим и историческим причинам сложилось так, что именно биполярные стали основными усилительными устройствами для радиолюбителей и промышленности, потеснив электровакуумные лампы.

Мой интерес к транзисторной схемотехнике основывается на искреннем желании разобраться и немного на ностальгии. И сегодня хочу ввести в понятие рабочего режима транзистора.

▍ Для чего нужно устанавливать рабочую точку?

Транзистор из-за своего устройства и принципа работы способен усиливать входящий электрический сигнал одной полярности, да к тому же уровнем выше, чем требуется для открытия pn-перехода база-эмиттер. Потому что его входная вольт-амперная характеристика напоминает диодную. Ток начинает течь при достижении разности потенциалов примерно на уровне 0,6 вольт, и затем график круто взмывает вверх. Инженеры-схемотехники придумали решение — приоткрыть транзистор как бы наполовину, ввести его в промежуточное состояние. Когда входной сигнал сможет его как закрывать, так и открыть сильнее. Это называется смещением.

Смещение достигается несколькими способами, но для простоты разберём один на примере транзистора npn-структуры, который открывается втекающим в базу током. Это привычно для современной схемотехники и более интуитивно для понимания.

Я уже подробно описывал принцип работы правильно организованного смещения. Давайте кратко повторим самое важное.

Потенциал базы транзистора создаётся при помощи резисторного делителя, питающегося от общей шины.

Для устойчивой работы в резисторном делителе рассчитывают номиналы так, чтобы общий протекающий ток был в 10 раз больше, чем втекающий в базу. Так будет больше запас устойчивости при изменении температуры и при разбросе параметров транзисторов от экземпляра к экземпляру.

Резистор, который ставится под эмиттер, нужен для того, чтобы при открытии транзистора на нём появлялся потенциал. Если эмиттер подключить на «землю», его потенциал всегда будет равен нулю, сколько его ни открывай. (Если вам непонятно, для чего нужен этот резистор, прочитайте об эмиттерном повторителе, там подробно объяснено).

Смещение создаётся таким, чтобы потенциал коллектора в статическом режиме (без поступления полезного сигнала на базу) находился примерно в середине промежутка от нуля вольт до напряжения питания.

▍ Генератор тока

Транзистор — генератор тока, управляемый током. Термин нужно понимать не буквально, а с точки зрения электроники. Транзистор стабилизирует значение тока, используя энергию источника питания схемы.

Давайте взглянем на вольт-амперную характеристику воображаемого идеального источника тока.

Суть проста — какое бы напряжение ни было на его полюсах, проходящий через него ток не изменяется.

Наверняка вы встречались с запоминающимся на вид графиком выходной характеристики транзисторов или, как его называют, с семейством выходных кривых.

Обратите внимание, у каждой кривой справа подписан ток базы. Это значит, что конкретная кривая получена при фиксированном токе, который втекает в базу, но при изменяющемся напряжении коллектор-эмиттер. Представьте, что у нас есть стенд для транзистора, и мы можем произвольно задавать токи и напряжения, подводимые к нему.

Представим, что мы установили ток базы, равный 0,2 мА. Наш прибор ровно столько позволяет втекать в базу и стабилизирует это значение. Напряжение на коллекторе равно нулю, начинаем его прибавлять. Точка текущего значения выходит из нуля, поднимается по восходящей части ветви, затем идёт по пологой кривой.

Участок от 0 до 2, до перегиба, называется режимом насыщения транзистора и характеризуется невысоким напряжением эмиттер-коллектор. В этом режиме стараются использовать транзисторы, которые задействованы в силовых частях схемы для минимального нагрева и лучшего КПД.

Участок после перегиба, где ветвь становится почти горизонтальной, называется активным режимом. В нём транзистор работает как стабилизатор протекающего тока. Ток через него меняется незначительно при изменении напряжения между коллектором и эмиттером. Напомню, что ток базы поддерживается неизменным, мы можем влиять только на напряжение, подаваемое на транзистор.

Рассмотрим графики семейства выходных кривых подробнее. Я продлил ось напряжения и обозначил области, в которых транзистор по физическим причинам выходит за штатный режим работы.

Область превышения максимальной рассеиваемой мощности ограничена физическим устройством кристалла транзистора и возможностями корпуса отводить и рассеивать тепло. Внутри этой области при перегреве через транзистор начинает протекать паразитный ток, из-за чего кривые загибаются вверх. В даташите широко распространённого транзистора C945 обозначена максимальная рассеиваемая мощность 750 милливатт, именно его характеристики я взял за основу для иллюстраций.

Максимально допустимое напряжение эмиттер-коллектор ограничивает область допустимой работы справа. При превышении значения может произойти пробой транзистора с последующим неконтролируемым ростом тока и выходом из строя. Разумеется, пробойное напряжение не у всех экземпляров одинаковое, и оно не выглядит как чётко обозначенная граница, но для понятности изобразил его линией.

Область, отмеченная синим, пригодна для работы транзистора, от которого требуется усиливать сигнал с минимальными искажениями. Сразу нужно оговориться, статья и мои знания в области аналоговой электроники хоббийного уровня. Построение транзисторных усилителей, обладающих минимальной степенью искажений, — это отдельный вид искусства. В общих чертах можно обозначить приёмы. Стараются делать многокаскадные усилители, в которых каждый транзистор даёт невысокий коэффициент усиления и охвачен глубокой отрицательной обратной связью (ООС), которая снижает искажения, линеаризируя каскад.

▍ Интерактивная модель

Для упрощения понимания мы рассмотрим однокаскадный усилитель, интерактивную схему которого я подготовил в браузерном симуляторе электрических цепей circuitjs.

Я убеждён, что лучше самому попробовать изменять параметры каскада, взаимодействуя с моделью, чем читать теорию. Так намного быстрее и нагляднее понять закономерности.

По правому краю расположены ползунки, изменяющие номиналы резисторов и питающее напряжение, а также размах входного сигнала. На схеме есть множество осциллографов, и отображаются токи и напряжения в важных местах.

Для удобства я снабдил выключателем входную цепь, чтобы устанавливать токи покоя.

Обратите внимание, делитель базы питается от независимого источника, так в реальных схемах делают не часто, но нам важно, чтобы при изменении питания на коллекторе не приходилось перенастраивать смещение.

▍ Выбор точки покоя

Как уже выяснили раньше, рабочая зона ограничена областью насыщения с одной стороны и областью перегрева с противоположной. Реальные транзисторы имеют оптимальные условия для работы, в которых они обладают сниженным уровнем собственных шумов. Транзисторы, предназначенные для аудиоустройств, снабжаются подробным описанием параметров в виде графиков. Нет смысла вникать в эти тонкости, ограничимся тем, что для оптимальной работы маломощного транзистора в начальных каскадах усилителя (или предусилителя) оптимальный ток — несколько миллиампер. Для примера рассмотрим 1,5 миллиампера для вышеупомянутого транзистора BC945.

Напряжение питания 12 вольт, для того чтобы у нас был запас по смещению точки покоя «вниз» и «вверх» между нулём и полным напряжением питания, выберем середину. Точка на графике, обозначенная Q, соответствует этим значениям.

Важный момент, который нужно рассмотреть внимательно. Если нам нужно, чтобы на транзисторе было 6 вольт при токе 1,5 мА, то нагрузочный резистор над коллектором должен «забирать» на себя (или, как говорят, на нём должна падать) половина напряжения питания.

Транзисторный каскад по схеме с общим эмиттером можно упрощённо представить как делитель напряжения, у которого в верхнем плече стоит резистор (коллекторный), а в нижнем — генератор тока.

Забавно и даже парадоксально, но если мы замкнём выводы резистора накоротко, ток через транзистор существенно не поменяется. Зато изменится напряжение, которое на нём окажется. А именно полное напряжение источника питания схемы.

Как я обещал, разговор будет без формул, поэтому мы подберём режим, используя симулятор. Передвигая ползунки, добьёмся, чтобы точка покоя соответствовала 6 В, 1,5 мА.

Алгоритм такой. Сначала изменяете параметр R базы, добиваясь, чтобы через коллектор протекал ток 1,5 мА. Это можно контролировать по амперметру в схеме. Затем изменяйте R коллектора так, чтобы напряжение на коллекторе стало 6 В. Обратите внимание, как при этом двигается рабочая точка по графику ВАХ (а именно скользит горизонтально по уровню стабилизируемого тока).

Поздравляю, теперь можно подключить сигнал и увидеть, как точка покоя двигается по так называемой «нагрузочной прямой».

▍ Нагрузочная прямая

Взгляните на график, точка Q — точка покоя каскада. Если её соединить линией с отметкой уровня питания (12 вольт), получится линия.

Если бы транзистор обладал идеально линейными характеристиками и открывался бы с уровня 0 вольт, то мы бы получили полный рабочий диапазон от пересечения линии (или, как говорят, нагрузочной прямой) от оси тока до оси напряжения. То есть воображаемый идеальный транзистор работал бы от состояния с нулевым напряжением падения, максимальной проводимости, когда ток течёт сквозь и напряжение на коллекторе относительно земли нулевое. Как кусок проводника с пренебрежимо малым сопротивлением. До другого крайнего значения: ток не проходит совсем, сопротивление бесконечное, всё напряжение питания на коллекторе.

В реальности, конечно же, работа без искажений невозможна в этих пределах, и стараются не допускать отклонение рабочей точки в зоны, где сигнал может начать искажаться (если не стоит цель исказить звук, насытить его гармониками, как во всевозможных гитарных «примочках»).

Ещё важный момент, о котором следует рассказать, — наклон нагрузочной прямой. Предположим, что мы решили установить точку покоя на 6 вольт и 2,5 мА. Кстати, попробуйте это сделать в симуляторе :)

Линия, соединяющая точку Q2 и 12 вольт на оси напряжения, даст более крутой наклон нагрузочной прямой.

Если мы установим точку покоя с током примерно 0,9 мА, Q3, это даст более пологую нагрузочную прямую. Если вы сами попробуете подобрать эти точки, то поймёте важную закономерность: наклон нагрузочной прямой зависит от:

• Коллекторного резистора. Чем его номинал больше, тем положе (горизонтальнее) наклонена прямая.

• Чем больше напряжение питания, тем дальше от нуля точка пересечения оси напряжения с прямой.

Следовательно, чем выше напряжение питания транзистора, тем больший размах можно получить в линейной области. Увеличение номинала сопротивления увеличивает коэффициент усиления.

▍ Промежуточный итог

Надеюсь, я дал вам общее понимание темы. Аналоговая электроника — это всегда поиск оптимума между коэффициентом усиления, КПД, энергоэффективностью, шумами, и в этом её прелесть. Моя основная цель — мотивировать вас на самостоятельные эксперименты.

▍ Практическая часть

Я решил использовать симулятор для расчёта транзисторного предусилителя для электретного микрофона с питанием от одного литий-ионного аккумулятора небольшой мощности.

Я подумал, что оптимальным будет коэффициент усиления около 10, ток покоя 1,5-2 мА, и решил сделать второй каскад в виде эмиттерного повторителя, чтобы получить нормальный выход по току. Так как если нагрузить наш единичный каскад хоть немного (читай: подключить на выход коллектора сопротивление меньше 100 килоом), появляются заметные искажения в виде изгибания нагрузочной прямой, даже в симуляторе.

Я сделал чуть иную схему с чуть большим количеством обвеса. Во-первых, под эмиттером появилась цепочка RC, которая увеличивает КУ по переменному току, ответвляя его через себя. Подробнейшим образом я описал это в статье про усилительный каскад с ОЭ.

Во-вторых, добавился второй транзистор, включённый по схеме эмиттерного повторителя, о котором я также писал. Его основной плюс в том, что у него очень высокое входное сопротивление, которое не просаживает, не нагружает предыдущий каскад, и низкое выходное, что позволяет не беспокоиться об искажениях и передавать сигнал дальше. По моей задумке на конце экранированного провода, перед входом в аудиокарту компьютера, будет стоять резистор в половину или около того килоома. Идея в том, чтобы наведённые помехи «закорачивались» на нём, но в то же время полезный сигнал приходил с достаточной амплитудой. Решение спорное, учитывая, что нужно будет заряжать аккумулятор в микрофоне. Но мне захотелось почудить и поэкспериментировать.

▍ Сборка схемы и испытание

Я решил 100% расчётов выполнить в симуляторе, настроить всё в нём и потом собрать в железе. Схему, как и всегда, перерисовал в KiCAD, в нём же развёл плату под макетку. Причём сделал так, чтобы не задумываясь повторить, вплоть до точных координат отверстий. Так как я очень не люблю ошибки монтажа и стараюсь исключить их максимально до сборки.

В качестве источника сигнала я использовал генератор портативного осциллографа Owon и сразу понял его недостаток. Если установить амплитуду 0.02 вольта и посмотреть сигнал с него же (там генератор и осциллограф работают независимо, но используют одну шину «земли»), то видна куча помех.

Один из моих любимых схемотехнических лайфхаков, который подсказал приятель Михаил С.: чтобы получить источник сигнала малого уровня с хорошим уровнем соотношения сигнал/шум, нужно взять источник сигнала с высоким уровнем и сделать делитель (аттенюатор) из двух резисторов. Резистор с меньшим сопротивлением, например, единицы ом, и будет источником малого сигнала в придачу с низким внутренним сопротивлением, в котором будут «закорачиваться» наводки.

Собрал усилитель на макетной плате, и он сразу заработал.

Коэффициент усиления, как и ожидалось, равен десяти. Немного выше напряжение на коллекторе от расчётного. Планировал 1,8 вольта, получил 2 вольта. Но это не страшно, так как размах сигнала по моим прикидкам будет не больше 150 милливольт.

Все скриншоты к статьям я делаю с реальной схемы, стараюсь не мухлевать и не «подкручивать», чтобы сохранять научный подход к получаемым данным. Во время подготовки статьи я купил на одном известном сайте по продаже БУ вещей очень интересный осциллограф фирмы Velleman, который мне сильно понравился своими возможностями и инженерной культурой проработки меню. О нём я обязательно расскажу.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»