Механизм действия любого транзистора реализует возможность управления током выходной цепи посредством маломощного входного управляющего сигнала напряжения для полевых транзисторов или тока для биполярных транзисторов. Выходные характеристики представляют собой характеристики источника тока с высоким выходным сопротивлением на большем протяжении рабочего участка. Нижняя граница рабочей области характеристик определяется наличием неуправляемого тока утечки I0, а левая граница рабочей области – остаточным падением напряжения U0 на транзисторе.
Представляя в общем случае транзистор усилительным элементом, структура простейшего усилительного каскада будет дополнительно содержать источник питания E и балластный резистор R.
Напряжение на управляемом элементе может быть определено
U = E – I ∙ R, (*)
что называется уравнением нагрузочной прямой в координатах выходных характеристик [U; I].
Любая точка на нагрузочной прямой является графическим решением уравнения (*), т.е. однозначно связывает мгновенные значения протекающего тока и напряжения на активном элементе и называется рабочей точкой. Иными словами нагрузочная прямая есть геометрическое место точек, значения координат которых могут принимать ток и напряжение транзистора при заданных E и R. Рабочая точка с мгновенными значениями координат U, I в процессе усиления «скользит» по нагрузочной прямой, в соответствии с законом, задаваемым входным воздействием. Если ток в контуре под действием управляющего сигнала приобретёт гармоническое возмущение, то и выходное напряжение так же будет содержать гармоническую составляющую.
Нагрузочную прямую, как линейную функцию координат выходных характеристик удобно построить по двум точкам на осях U, I.
U = E – I ∙ R
I = 0 => U = E
U = 0 => I = E/R
Точки А и В на нагрузочной прямой ограничивают допустимое перемещение рабочей точки из-за наличия остаточных значений U0 I0. При этом координаты точек А и В определятся как:
A \left[U_0; \displaystyle\frac {E-U_0} {R}\right]
B \left[E-I_0\times R; I_0\right]
Учитывая, что любой активный элемент имеет физические ограничения, на допустимые значения электрических координат можно сформировать область безопасного режима работы (ОБР), которая сверху будет ограничена максимально допустимым протекающим током Imax. Справа будет ограничена максимально допустимым выходным напряжением Umax. И, наконец, совместный учёт координат тока и напряжения даст ограничение по максимально допустимой мощности Pmax, которая в координатах [U;I] представляет собой гиперболическую функцию.
Область координат, ограниченная этими линиями, называется областью безопасного режима работы транзистора, попадание за зону линий приведёт к выходу из строя прибора.
Накладывая на координатную сетку выходные характеристики биполярного или полевого транзистора, можно определить, что в области малых токов величина протекающего тока не может быть меньше, чем неуправляемая составляющая тока усилительного прибора, а в области больших токов остаточное напряжение на приборе не может быть меньше, чем обусловленное его физическими свойствами.
Поэтому реальный диапазон нагрузочного состояния прямой ограничен точками A и B, которые характеризуют переход усилительного элемента (биполярного транзистора) из активного режима работы в режим насыщения (А), когда ток в контуре определяется резистором R и больше, чем E/R быть не может, и режим отсечки (В), когда ток определяется неуправляемой составляющей , а напряжение на управляемом элементе определяется источником Е.
Попадание рабочей точки в любое из этих двух ограничений вызовет искажение формы выходного сигнала по отношению к входному.
Поскольку напряжение питания каскада однополярное, а ток однонаправленный для усиления переменного сигнала токи и напряжения должны содержать как переменную, так и постоянную составляющие. Для усиления переменного сигнала без искажений рабочая точка в процессе усиления не должна выходить за пределы участка АВ нагрузочной прямой. Для чего необходимо обеспечить, чтобы постоянные составляющие тока и напряжения транзистора были не меньше максимальной амплитуды переменных составляющих. Режим работы каскада по постоянному току при нулевой амплитуде переменной составляющей называется режимом покоя (точка П).
Таким образом, для усиления переменного электрического сигнала простейшим усилителем в каскаде необходимо создать начальное смещение каскада, обеспечивающее положение рабочей точки в середине нагрузочной прямой, чтобы её перемещение в процессе работы каскада в сторону отсечки и насыщения было симметричным, формируя одинаковую амплитуду допустимого значения полуволн переменного сигнала.
I^п=\displaystyle\frac {E} {2R} U^п=\displaystyle\frac {E} {2}
Выбор точки покоя, соответствующей середине нагрузочной характеристики, называется оптимальным, при этом ток покоя определяется, примерно, половиной максимального тока каскада, а напряжение на активном элементе – половиной напряжения питания.